Die Forscher realisieren resonante Tunneldioden, die auf verdrillten schwarzen Phosphorhomostrukturen basieren

Bildnachweis: Srivastava et al.

In den letzten Jahren haben Elektronikingenieure weltweit versucht, neue Halbleiter-Heterostruktur-Bauelemente unter Verwendung atomar dünner Materialien zu entwickeln. Unter den vielen Vorrichtungen, die unter Verwendung dieser Materialien hergestellt werden können, befinden sich resonante Tunneldioden, die typischerweise aus einer Quantentopfstruktur bestehen, die zwischen zwei Barriereschichten angeordnet ist.

Frühere Forschungen haben gezeigt, dass das Stapeln von zweidimensionalen (2D) Schichten, die relativ zueinander verdrillt sind, die Zwischenschichtkopplung an ihrer Grenzfläche verbessern oder unterdrücken kann. Diese Unterdrückung oder Verbesserung kann wiederum die elektronischen, optischen und mechanischen Eigenschaften der resultierenden Vorrichtung modulieren.

Zum Beispiel fanden einige Studien heraus, dass der Intralayer-Stromtransport in verdrilltem Doppelschicht-Graphen mit kleinen Winkeln einige exotische Phänomene wie Supraleitung und Ferromagnetismus hervorrief. Diese Beobachtungen inspirierten einen grundlegend neuen Ansatz für die Geräteentwicklung, der als “Twistronics” (dh Twist-Elektronik) bekannt ist.

Forscher der Sungkyunkwan-Universität in Südkorea haben kürzlich eine Studie durchgeführt, um das Potenzial eines Twistronics-Designs für resonante Tunneldioden auf der Basis von Homostrukturen aus schwarzem Phosphor zu bewerten. Die resultierenden resonanten Tunneldioden wurden in einem Artikel vorgestellt, der in veröffentlicht wurde Naturelektronikzeigen eine höhere Tunnelleitfähigkeit als resonante Tunneldioden, die auf Van-der-Waals-Heterostrukturen basieren.

“Der Zwischenschichtstromtransport durch verdrillte Verbindungsstellen könnte auch ein faszinierendes Forschungsthema sein, das noch nicht untersucht wurde”, sagte Budhi Singh, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber TechXplore. “Dies hat uns motiviert, das Stromtransportverhalten zwischen Schichten in verdrillten Homostrukturen auf der Basis von schwarzem Phosphor zu untersuchen.”

In einer Reihe von Laborexperimenten identifizierten Singh und sein Forschungsteam eine Reihe wertvoller Merkmale, die schwarzen Phosphor charakterisieren, darunter seine stark anisotrope Natur, eine dickenabhängige Austrittsarbeit / 2D-Trägerdichte und eine verdrehungswinkelabhängige Zwischenschichtkopplung. Die stark anisotrope Natur von schwarzem Phosphor ermöglicht letztendlich eine verschwindende Zwischenschichtkopplungsstärke bei bestimmten Verdrillungswinkeln.

“Interessanterweise fanden wir heraus, dass der Zwischenschichtstromtransport in solchen verdrillten Übergängen auch bei höheren Verdrillungswinkeln gesteuert werden kann”, sagte Singh. “Die entkoppelte Grenzflächen- und Impulsfehlanpassung, die durch verdrillte Fermi-Oberflächen erzeugt wird, könnte auch das Stromtransportverhalten zwischen den Schichten beeinflussen und ist Teil unserer primären Untersuchung. Im Gegensatz dazu ist die Beobachtung exotischer Phänomene beim Intralayer-Stromtransport in verdrillten Übergängen auf kleinere Verdrillungswinkel beschränkt . “

Um das Potenzial der von ihnen entwickelten Entwurfsstrategie zu bewerten, stellten die Forscher einen Dreischicht-Homoübergang aus schwarzem Phosphor her, indem sie eine dünne Schicht aus schwarzem Phosphor zwischen zwei dickeren Schichten integrierten. In dieser Struktur ist die mittlere, dünnere Schicht in Bezug auf die oberen und unteren schwarzen Phosphorschichten verdrillt.

“Aufgrund der verdrillten Struktur in unseren Geräten verhalten sich die entkoppelten Schnittstellen wie eine Tunnelbarriere für den Ladungsträgertransport zwischen Schichten”, erklärte Singh. “Wenn wir diese Struktur mit der herkömmlichen Doppelbarriere-Resonanz-Tunneldiode vergleichen, dient mittelschwarzer Phosphor als Analogon der Quantentopf.”

In der von Singh und seinen Kollegen hergestellten Vorrichtung erzeugten das Auftreten eines negativen Differenzwiderstands und die Entwicklung der Peakposition mit einer variierenden Dicke der mittleren schwarzen Phosphorschicht eine Signatur, die typischerweise mit resonanten Tunneldioden assoziiert ist. Resonantes Tunneln tritt auf, wenn die Energie und die Impulse der oberen und unteren schwarzen Phosphorschichten aufgrund von Energie- und Impulserhaltungsprozessen mit denen der Quantentopfzustände übereinstimmen.

“Wann immer wir über Tunnelphänomene sprechen, muss es eine physikalische Barriere geben (dh Materialien mit großen Energiebandlücken)”, sagte Singh. “Im Allgemeinen wird diese Architektur in einer Heterostrukturanordnung erreicht, aber wir haben das resonante Tunneln durch eine Homostruktur ohne die Notwendigkeit einer physischen Tunnelbarriere demonstriert.”

Die von Singh und seinen Kollegen eingeführte Twistronics-Designstrategie könnte bald die Herstellung anderer Geräte inspirieren, die eine bemerkenswerte Tunnelleitfähigkeit aufweisen. In der von den Forschern entwickelten Vorrichtung wird der Tunnelmechanismus von einer verdrehungsgesteuerten Zwischenschichtkopplung dominiert, was zu einer hohen Tunnelstromdichte führt. Das Diodengerät der Forscher und andere verdrehungsgesteuerte Tunnelgeräte mit hohen Stromdichten könnten letztendlich verwendet werden, um eine Vielzahl von Hochgeschwindigkeitselektroniken zu realisieren, einschließlich THz-Oszillatoren und ultraschneller Schalter.

“In naher Zukunft möchten wir Experimente durchführen, um verdrillte schwarze Phosphorhomostrukturen in praktischen Anwendungen wie THz-Bauelementen und Anwendungen in der supraleitenden Spektroskopie zu realisieren”, fügte Singh hinzu.


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Abnormale Leitfähigkeit in verdrilltem Doppelschichtgraphen mit geringem Winkel


Mehr Informationen:
Resonante Tunneldioden basierend auf verdrillten schwarzen Phosphorhomostrukturen. Naturelektronik(2021). DOI: 10.1038 / s41928-021-00549-1.

Journalinformationen:
Naturelektronik

© 2021 Science X Network

Zitat: Forscher realisieren resonante Tunneldioden basierend auf verdrillten schwarzen Phosphorhomostrukturen (2021, 7. April), die am 8. April 2021 von https://techxplore.com/news/2021-04-resonant-tunnelling-diodes-based-black.html abgerufen wurden

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