超薄半导体首次与超导体电连接

巴塞尔大学(University of Basel)的研究人员首次装备了一种带有超导触点的超薄半导体。这些极薄的材料具有新颖的电子和光学特性,可能会为以前无法想象的应用铺平道路。与超导体结合,它们有望产生新的量子现象,并在量子技术中得到应用。

无论是在智能手机、电视还是建筑技术领域,半导体在电子产品以及我们的日常生活中都扮演着核心角色。与金属不同,可以通过施加电压来调节其电导率,从而控制电流的通断。

为了今后在电子和量子技术上的应用,研究人员正集中精力开发由半导体材料的单层组成的新组件。一些具有半导体特性的天然材料具有这种单层结构,堆积起来形成三维晶体。在实验室中,研究人员可以分离这些厚度不超过单个分子的层,并使用它们来制造电子元件。

新的性质和现象

这些超薄半导体有望提供独特的特性,否则很难控制,如利用电场影响电子的磁矩。此外,这些半导体单分子层中还存在着复杂的量子力学现象,这些现象可能在量子技术中得到应用。

世界各地的科学家正在研究如何将这些薄半导体堆积起来,形成新的合成材料,即所谓的范德华异质结构。然而,到目前为止,他们还没有成功地将这种单层膜与超导接触体结合起来,以深入挖掘这种新材料的性质和特性。

超导联系人

由Andreas鲍姆加特纳博士领导的一组物理学家,研究小组的瑞士基督教Schonenberger教授纳米科学研究所和巴塞尔大学的物理系,现在已经安装半导体的单层二硫化钼超导首次接触。(见附表)

这种半导体和超导体的结合之所以如此有趣,是因为专家们希望这种组件能展现出新的性能和物理现象。这项研究的项目经理鲍姆加特纳解释说:“在超导体中,电子把自己排列成一对对,就像跳舞的伙伴——产生了奇怪而奇妙的结果,比如电流的流动没有阻力。”另一方面,在半导体二硫化钼中,电子表演了一种完全不同的舞蹈,一种奇怪的独舞,也融合了它们的磁矩。现在我们想知道,如果我们把这些材料结合起来,电子会跳哪些新的奇异的舞蹈。”

适合作为平台使用

在超导所需要的低温下的电学测量——刚好高于绝对零度(-273.15°C)——清楚地显示了超导体所造成的影响;例如,在一定的能量下,单电子不再被允许。此外,研究人员还发现了半导体层和超导体之间强耦合的迹象。

该研究的主要作者Mehdi ramemzani说:“在我们期望在这种范德华异质结构中看到的新的和令人兴奋的物理现象中,强耦合是一个关键因素,但从未能够证明。”

鲍姆加特纳说:“当然,我们一直希望电子和量子技术能有新的应用。”“原则上,我们为半导体层开发的垂直接触可以应用于大量半导体。我们的测量表明,这些混合单层半导体组件确实是可能的——甚至可能与其他更奇特的接触材料,这将为进一步研究铺平道路,”他补充道。

精细的制造工艺

在一种由不同材料制成的三明治中制造新部件需要大量不同的步骤。在每个步骤中,重要的是要避免污染,因为它们严重损害电荷的传输。

为了保护半导体,研究人员在两层薄薄的氮化硼之间包了一层单层的二硫化钼,他们之前已经用电子束蚀刻和离子蚀刻在这层薄层上蚀刻触点。然后,他们沉积了一层薄薄的钼铼作为接触材料——这种材料即使在强磁场存在下也能保持超导特性。

研究人员在手套箱的保护性氮气气氛下工作,将氮化硼层叠加到二硫化钼层上,并将下层与另一层氮化硼以及石墨烯层结合,以实现电气控制。然后,研究人员将这个精密的范德华异质结构置于硅/二氧化硅晶圆上。

媒体接触

Andreas鲍姆加特纳博士
巴塞尔大学瑞士纳米科学研究所

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