Image au microscope électronique à balayage d'un dispositif Hall 2D avec quatre paires d'électrodes pour tester quatre géométries différentes avec un échantillon InAs 2D. Crédit :Adam Micolich
L'une des premières choses que font les gens lorsqu'ils découvrent un nouveau matériau aux propriétés électroniques potentiellement intéressantes est de mesurer la tension de Hall. Cela n'a jamais été aussi vrai qu'avec l'explosion de nouveaux matériaux 2D, mais il s'avère que souvent, les appareils fabriqués à partir de matériaux 2D destinés à effectuer des mesures de tension Hall ont une géométrie inappropriée. C'est exactement ce qu'Adam Micolich et son équipe de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud ont découvert lorsqu'ils ont commencé à étudier les caractéristiques du semi-conducteur 2D III-V InAs, et s'est rendu compte qu'il y avait un décalage dont ils devaient tenir compte entre la configuration qu'ils avaient et la configuration qu'ils visaient. « Nous avons pensé que cela devait être dans la littérature ; nous ne pouvons pas être les premiers à vouloir corriger cela, mais il n'y avait en fait rien là-bas, " dit-il à Phys.org.
Avec un doctorat l'étudiant Jakob Seidl et le postdoctorant Jan Gluschke désireux de déterminer dans quelle mesure la géométrie non idéale des appareils 2D affecte leurs mesures Hall, les chercheurs ont commencé à modéliser l'installation et à effectuer une série d'expériences minutieuses sur des dispositifs à effet Hall 2D avec différentes géométries. Ce qu'ils ont découvert, c'est que les obstacles à l'obtention de la géométrie idéale pour les mesures de Hall n'introduisaient pas d'imprécisions mineures; En réalité, les mesures étaient généralement d'un facteur deux, et dans certains cas, tout un ordre de grandeur. "Et ce qui est intéressant, c'est que dans la plupart des cas, cela signifiait que les gens sous-estiment la chose qu'ils apprécient le plus, qui est la mobilité des matériaux, " ajoute Micolich. " Leurs matériaux sont meilleurs qu'ils ne le pensent, ils ne peuvent tout simplement pas le voir parce que leur configuration n'est pas idéale."
Le problème avec la 2-D
L'effet Hall fait référence à la tension qui se produit lorsqu'un champ magnétique est appliqué à un matériau traversé par un courant, dans lequel les trois sont perpendiculaires les uns aux autres. Cette tension de Hall donne une excellente indication de la densité d'électrons dans un matériau, qui, avec la mobilité, donner la conductivité globale du matériau.
Pour Micoliche, les matériaux avec des morphologies difficiles pour les mesures de Hall sont un vieux problème. Les travaux du groupe découlent de travaux antérieurs sur les nanofils III-V, où le problème était de fixer les électrodes pour mesurer la tension de Hall à un appareil aussi étroit sans se contacter, puis de mesurer la minuscule tension qui en résulte sur de si petites distances. Pour les nanofils, la difficulté d'obtenir une mesure signifie que les scientifiques ont eu recours à toutes sortes de solutions de contournement souvent insatisfaisantes pour évaluer les propriétés électroniques. Cependant, Le groupe de Lars Samuelson à Lund et le groupe de Thomas Schapers à Julich ont démontré les premières expériences pour atteindre la dextérité et la sensibilité à l'échelle nanométrique nécessaires pour les mesures Hall des nanofils.
Des mesures Hall systématiques sur des InA 2D de géométries différentes révèlent des imprécisions qui conduisent à des sous-estimations importantes de leur facteur clé de mérite, mobilité électronique. Crédit :Adam Micolich
Il y a à peu près un an, Philippe Caroff et ses collègues de l'Australian National University ont découvert qu'ils pouvaient ajuster le modèle pour développer des matrices d'InAs non sous la forme de nanofils, mais avec la largeur étirée en "nanofins" 2-D. Ici, Les mesures de Hall auraient dû être un peu plus simples puisque la tension de Hall a été générée sur une plus grande distance, conduisant à des valeurs plus élevées qui devraient être plus faciles à mesurer. Cependant, bien qu'il soit possible de prendre des mesures Hall avec des matériaux 2D, la géométrie idéale est un rectangle plus long que large avec une paire de contacts ponctuels touchant juste les côtés du matériau 2D. Dans les expériences, ces contacts ponctuels ont une largeur finie qui peut être assez grande en fonction de la longueur du dispositif. En outre, une partie de l'électrode finit inévitablement par chevaucher le dessus du matériau 2-D parce qu'elles sont si minces. "Le peu de métal sur le dessus compte en fait beaucoup, " dit Micolich.
Une autre particularité du travail avec des matériaux 2D est la difficulté de reproduire des morphologies identiques, ce qui rend particulièrement difficiles les comparaisons systématiques de l'effet de la géométrie. Ici, Micolich et son équipe ont eu l'avantage de travailler sur des nanofines qui ont été cultivées par lots de millions de nageoires presque identiques à la fois. Pour réduire davantage les effets de la variation de l'appareil sur les résultats, ils ont utilisé le moins d'ailettes possible et ont attaché plusieurs jeux d'électrodes avec des espacements différents, formes et chevauchements à comparer autant que possible.
Corrections en main
Non seulement le travail met en évidence que ces matériaux peuvent être plus performants qu'on ne le pensait auparavant, mais ils fournissent des tableaux de mesures afin que les gens puissent trouver comment corriger les défauts de leurs propres appareils. Les corrections décrites devraient être applicables à tous les matériaux, quelles que soient leurs propriétés spécifiques, car seule la géométrie de l'appareil affecte les mesures.
Micolich suggère qu'il y a probablement eu de nombreux groupes au fil des ans qui ont réalisé que leurs appareils ne correspondaient pas à la géométrie idéale pour les mesures de Hall, et peut avoir été déçu de ne rien trouver dans la littérature indiquant comment corriger l'effet.
"Bien, " dit Micolich, "maintenant il y a."
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