Curvas de corriente-voltaje de unión simple (verde) van der Waals sólido (sin NDR) y multijunción (rojo, naranja) sólidos de van der Waals (NDR). El apilamiento y la elección de materiales determina la ubicación y el ancho del pico. Crédito:Yuchuan Lin
Un fenómeno de transporte mecánico cuántico demostrado por primera vez en sintéticos, el material en capas atómicamente delgado a temperatura ambiente podría conducir a nuevos circuitos y dispositivos nanoelectrónicos, según investigadores de Penn State y otras tres universidades estadounidenses e internacionales.
El efecto de transporte cuántico, llamada resistencia diferencial negativa (NDR), se observó cuando se aplicó un voltaje a estructuras hechas de capas de un átomo de espesor de varios materiales en capas conocidos como materiales de van der Waals. Las estructuras de tres partes consisten en una base de grafeno seguida de capas atómicas de disulfuro de molibdeno (MoS2), diselenuro de molibdeno (MoSe2), o diselenuro de tungsteno (WSe2).
NDR es un fenómeno en el que la naturaleza ondulatoria de los electrones les permite atravesar cualquier material con resistencia variable. El potencial de NDR radica en los circuitos electrónicos de bajo voltaje que podrían funcionar a alta frecuencia.
"La teoría sugiere que apilar capas bidimensionales de diferentes materiales una encima de la otra puede conducir a nuevos materiales con nuevos fenómenos, "dijo Joshua Robinson, un profesor asistente de Penn State de ciencia e ingeniería de materiales cuyo estudiante, Yu-Chuan Lin, es el primer autor de un artículo que aparece en línea hoy, 19 de junio en el diario Comunicaciones de la naturaleza . El artículo se titula "Diodos de túnel resonantes atómicamente delgados construidos a partir de heteroestructuras sintéticas de van der Waals".
Lograr NDR en un diodo tunelizador resonante a temperatura ambiente requiere interfaces casi perfectas, que son posibles utilizando técnicas de crecimiento directo, en este caso, la vaporización de óxido de óxido de molibdeno en presencia de vapor de azufre para formar la capa de MoS2, y deposición de vapor químico orgánico metálico para producir WSe2 y MoSe2.
Estructura atómica multicapa de sólidos de van der Waals que representan capas con un sustrato de grafeno. Crédito:UT Dallas / Penn State
"Esta es la primera vez que estas heteroestructuras verticales crecen así, ", Dijo Robinson." La gente suele utilizar materiales exfoliados que apilan, pero ha sido extremadamente difícil ver este fenómeno con capas exfoliadas, porque las interfaces no están limpias. Con el crecimiento directo obtenemos interfaces impecables donde vemos este fenómeno cada vez ".
Lo que llamó la atención de Lin y Robinson fue un pico y un valle agudos en sus mediciones eléctricas donde normalmente habría una pendiente ascendente regular. Cualquier fenómeno inesperado si es repetible, es de interés, Dijo Robinson. Para explicar sus resultados, consultaron a un experto en dispositivos electrónicos a nanoescala, Suman Datta, que les dijo que estaban viendo una versión 2D de un diodo túnel resonante, un dispositivo mecánico cuántico que funciona a baja potencia.
"Los diodos de túnel resonantes son componentes importantes del circuito, "dijo Datta, coautor del artículo y profesor de ingeniería eléctrica en Penn State. "Los diodos de efecto túnel resonantes con NDR se pueden utilizar para construir osciladores de alta frecuencia. Lo que esto significa es que hemos construido el diodo de efecto túnel resonante más delgado del mundo, y funciona a temperatura ambiente ".
El coautor Robert Wallace de la Universidad de Texas en Dallas dijo que este trabajo colaborativo representa un logro importante en la realización de útiles circuitos integrados 2D.
"La capacidad de observar el comportamiento resonante a temperatura ambiente con materiales 2D sintetizados en lugar de exfoliados, las escamas apiladas es emocionante, ya que apunta hacia las posibilidades de métodos de fabricación de dispositivos escalables que son más compatibles con los intereses industriales. El desafío que ahora debemos abordar incluye mejorar aún más los materiales 2D cultivados y obtener un mejor rendimiento para futuras aplicaciones de dispositivos, "Dijo Wallace.
Los coautores de UT-Dallas proporcionaron la caracterización detallada de los materiales de resolución atómica para los diodos de efecto túnel resonantes descubiertos en Penn State.
Datta acredita una comprensión teórica del transporte de electrones en los materiales en capas 2D a su investigador postdoctoral Ram Krishna Ghosh, cuyos cálculos muestran una estrecha correspondencia con los resultados experimentales. Datta advirtió que el nuevo diodo de túnel resonante es solo un elemento en un circuito y el siguiente paso requerirá construir e integrar los otros elementos del circuito. como transistores, en 2D.
"El mensaje para llevar a casa, " él dijo, "es que esto nos da una pepita con la que nosotros, como dispositivos y personas de circuitos, podemos empezar a jugar y construir circuitos útiles para la electrónica 2D".
