Un phénomène de transport de mécanique quantique démontré pour la première fois en synthèse, un matériau en couches atomiquement mince à température ambiante pourrait conduire à de nouveaux circuits et dispositifs nanoélectroniques, selon des chercheurs de Penn State et de trois autres universités américaines et internationales.

L'effet de transport quantique, appelée résistance différentielle négative (NDR), a été observée lorsqu'une tension a été appliquée à des structures constituées de couches d'un atome d'épaisseur de plusieurs matériaux en couches connus sous le nom de matériaux de van der Waals. Les structures en trois parties se composent d'une base de graphène suivie de couches atomiques de bisulfure de molybdène (MoS2), diséléniure de molybdène (MoSe2), ou le diséléniure de tungstène (WSe2).

Le NDR est un phénomène dans lequel la nature ondulatoire des électrons leur permet de traverser n'importe quel matériau avec une résistance variable. Le potentiel du NDR réside dans les circuits électroniques basse tension qui pourraient fonctionner à haute fréquence.

"La théorie suggère que l'empilement de couches bidimensionnelles de différents matériaux les unes sur les autres peut conduire à de nouveaux matériaux avec de nouveaux phénomènes, " a déclaré Joshua Robinson, un professeur adjoint de Penn State en science et ingénierie des matériaux dont l'étudiant, Yu Chuan Lin, est le premier auteur d'un article paru en ligne aujourd'hui, 19 juin dans la revue Communication Nature . L'article s'intitule "Atomically Thin Resonant Tunnel Diodes Built from Synthetic van der Waals Heterostructures".

Atteindre le NDR dans une diode tunnel résonante à température ambiante nécessite des interfaces presque parfaites, qui sont possibles en utilisant des techniques de croissance directe, dans ce cas vaporisation d'oxyde de molybdène en présence de vapeur de soufre pour faire la couche de MoS2, et le dépôt chimique en phase vapeur de métal organique pour fabriquer le WSe2 et le MoSe2.

"C'est la première fois que ces hétérostructures verticales sont développées comme ça, ", a déclaré Robinson. "Les gens utilisent généralement des matériaux exfoliés qu'ils empilent, mais il a été extrêmement difficile de voir ce phénomène avec des couches exfoliées, car les interfaces ne sont pas propres. Avec une croissance directe, nous obtenons des interfaces vierges où nous voyons ce phénomène à chaque fois."

Ce qui a attiré l'attention de Lin et Robinson était un pic et une vallée pointus dans leurs mesures électriques où il y aurait normalement une pente ascendante régulière. Tout phénomène inattendu, si c'est répétable, est d'intérêt, dit Robinson. Pour expliquer leurs résultats, ils ont consulté un expert en dispositifs électroniques à l'échelle nanométrique, Suman Datta, qui leur a dit qu'ils voyaient une version 2D d'une diode à effet tunnel résonnant, un dispositif de mécanique quantique qui fonctionne à faible puissance.

"Les diodes tunnel résonantes sont des composants de circuit importants, " dit Datta, coauteur de l'article et professeur de génie électrique à Penn State. "Les diodes à effet tunnel résonantes avec NDR peuvent être utilisées pour construire des oscillateurs haute fréquence. Cela signifie que nous avons construit la diode à effet tunnel résonante la plus fine au monde, et il fonctionne à température ambiante."

Le coauteur Robert Wallace de l'Université du Texas à Dallas a déclaré que ce travail collaboratif représente une réalisation importante dans la réalisation de circuits intégrés 2D utiles.

"La capacité d'observer le comportement résonant à température ambiante avec des matériaux 2D synthétisés plutôt qu'exfoliés, Les flocons empilés sont passionnants car ils indiquent les possibilités de méthodes de fabrication de dispositifs évolutives qui sont plus compatibles avec les intérêts industriels. Le défi que nous devons maintenant relever comprend l'amélioration des matériaux 2D cultivés et l'obtention de meilleures performances pour les futures applications d'appareils, ", a déclaré Wallace.

Les coauteurs de l'UT-Dallas ont fourni la caractérisation détaillée des matériaux de résolution atomique pour les diodes à effet tunnel résonantes découvertes à Penn State.

Datta attribue une compréhension théorique du transport d'électrons dans les matériaux en couches 2D à son chercheur post-doctoral Ram Krishna Ghosh, dont les calculs montrent une correspondance étroite avec les résultats expérimentaux. Datta a averti que la nouvelle diode tunnel résonnante n'est qu'un élément dans un circuit et que la prochaine étape nécessitera la construction et l'intégration des autres éléments du circuit, comme les transistors, en 2D.

"Le message à retenir, " il a dit, « est-ce que cela nous donne une pépite avec laquelle nous, en tant qu'utilisateurs d'appareils et de circuits, pouvons commencer à jouer avec et construire des circuits utiles pour l'électronique 2D. »