Forschung -

Wenn Halbleiter aneinanderhaften, erhält man Quantenmaterial

Ein Forscherteam unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hat eine einfache Methode entwickelt, die gewöhnliche Halbleitermaterialien in Quantenmaschinen verwandeln könnte - superdünne Elemente, die sich durch außergewöhnliches elektronisches Verhalten auszeichnen.

Eine solche Weiterentwicklung könnte dazu beitragen, eine Reihe von Industrien zu revolutionieren, die auf energieeffiziente Elektroniksysteme setzen, und eine Plattform für exotische neue Physik bieten.

Die Studie beschreibt, wie 2-D Schichten aus Wolframdisulfid und Wolframdiselenid zu einem kompliziert gemusterten Material oder Übergitter zusammensetzt werden. Veröffentlicht wurde der Report in "Nature".

"Dies ist eine erstaunliche Entdeckung, weil wir diese Halbleitermaterialien nicht als so stark interagierend betrachteten", sagte Feng Wang, Physiker für kondensierte Materie der "Materials Sciences Division" des Berkeley Lab und Professor für Physik an der UC Berkeley. "Nunmehr hat diese Arbeit diese scheinbar gewöhnlichen Halbleiter in den Quantenmaterialraum gebracht."

Zweidimensionale (2-D) Materialien, nur ein Atom dünn, sind wie nanoskalige Bausteine, die beliebig zu winzigen Komponenten gestapelt werden können. Wenn sich die Gitter von zwei 2-D Materialien ähnlich sind und gut ausgerichtet werden, kann sich ein sich wiederholendes Muster bilden, das als Moiré-Supergitter bezeichnet wird.

In den letzten zehn Jahren haben Forscher untersucht, wie man verschiedene 2-D Materialien kombinieren kann, oft beginnend mit Graphen - einem Material, das für seine Fähigkeit bekannt ist, Wärme und Strom effizient zu leiten.

Basierend auf diesen Arbeiten hatten andere Forscher herausgefunden, dass Moiré-Übergitter, die mit Graphen gebildet wurden, exotische Physik wie Supraleitung aufweisen, sofern die Schichten genau im richtigen Winkel ausgerichtet sind.

Die neue Studie, geleitet von Wang, zeigte anhand von 2-D Proben von Halbleitermaterialien, Wolframdisulfid und Wolframdiselenid, dass der Verdrehwinkel zwischen den Schichten eine Art "Abstimmknopf" bietet, um ein 2-D-Halbleitersystem in ein exotisches Quantenmaterial mit hochinteragierenden Elektronen zu verwandeln.

Die Experten Chenhao Jin, ein Postdoc, und Emma Regan, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin, die beide unter Wang in der "Ultrafast Nano-Optics Group" an der UC Berkeley arbeiten, fertigten die Wolframdisulfid- und Wolframdiselenidproben mit einer polymerbasierten Technik, um Materialflocken mit einem Durchmesser von jeweils nur zehn Mikrometern aufzunehmen und in einen Stapel zu übertragen.

Sie hatten ähnliche Materialmuster für eine frühere Studie hergestellt, aber die beiden Schichten wurden in keinem bestimmten Winkel gestapelt. Als sie für die aktuelle Studie die optische Absorption einer neuen Wolframdisulfid- und Wolframdiselenidprobe gemessen hatten, wurden sie total überrascht.

Die Absorption von sichtbarem Licht in einem Wolframdisulfid-Wolframdiselenid-Element ist am größten, wenn das Licht die gleiche Energie wie das Exziton des Systems hat, ein Quasipartikel, ein an ein Loch gebundenes Elektron, das in 2-D Halbleitern üblich ist.

Für Licht in dem Energiebereich, der die Forscher interessiert, erwarteten sie eine Signalspitze, die mit der Energie eines Exzitons korrespondiert.

Stattdessen fanden sie heraus, dass die erwartete Signalspitze in drei verschiedene Spitzen aufgeteilt war, die drei verschiedene Exzitonzustände repräsentieren.

Was hätte die Anzahl der Exzitonzustände im Wolframdisulfid/Wolfram-Element von eins auf drei erhöhen können? War es der Zusatz eines Moiré-Übergitters?

Um das herauszufinden, verwendeten die Mitarbeiter Aiming Yan und Alex Zettl ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) in der "Molecular Foundry" von Berkeley Lab, einer Forschungseinrichtung im Nanobereich, um Bilder mit atomarer Auflösung des Wolframdisulfid/Wolframdiselenid-Elementes aufzunehmen. Es ging darum, wie die Gitter der Materialien ausgerichtet waren.

Die TEM-Bilder bestätigten, was man die ganze Zeit über vermutet hatte: Die Materialien hatten tatsächlich ein Moiré-Übergitter gebildet. "Wir sahen schöne, sich wiederholende Muster über die gesamte Probe", sagte Regan.

"Nachdem wir diese experimentelle Beobachtung mit einem theoretischen Modell verglichen hatten, fanden wir heraus, dass das Moiré-Muster ein großes Potenzial an Energie periodisch über das Element einbringt und somit exotische Quantenphänomene hervorrufen kann."

Demnächst wollen die Forscher feststellen, wie dieses neue Quantensystem auf die Optoelektronik angewendet werden könnte. Es geht dabei um die Verwendung von Licht in der Elektronik; die Valleytronik, ein Feld, das die Grenzen des Moore-Gesetzes durch Miniaturisierung elektronischer Komponenten erweitern könnte; und die Supraleitung, die es Elektronen ermöglichen würde, in praktisch widerstandslosen Elementen zu fließen.

Schrifttum: Chenhao Jin et al, Observation of moiré excitons in WSe2/WS2 heterostructure superlattices, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-0976-y

Links
Weitere Beiträge zum Thema Forschung Alle Artikel des Ressorts
© elektronikinformationen.de 2019 - Alle Rechte vorbehalten