Chế tạo thành công chất bán dẫn siêu mỏng và tiếp điểm siêu dẫn

Những đặc tính và hiện tượng vật lý hoàn toàn mới

Dù là điện thoại thông minh, tivi hay công nghệ xây dựng, chất bán dẫn đóng vai trò trung tâm trong thiết bị điện tử. Khác với kim loại, có thể điều chỉnh độ dẫn điện của bán dẫn bằng cách áp một hiệu điện thế và cho phép bật và tắt dòng điện chạy qua.

Đặc mục tiêu phát triển những ứng dụng mới trong điện tử và công nghệ lượng tử tương lai, các nhà khoa học tập trung phát triển các chi tiết mới chỉ có một lớp (đơn lớp) vật liệu bán dẫn.

Một số vật liệu tự nhiên có những tính chất bán dẫn đơn lớp như vậy, xếp chồng lên nhau tạo thành một tinh thể ba chiều. Trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu có thể tách những lớp này - không dày hơn một phân tử đơn và sử dụng để chế tạo các linh kiện điện tử.

Những chất bán dẫn siêu mỏng này hứa hẹn mang lại những đặc điểm độc đáo mà thông thường rất khó kiểm soát, ví dụ như sử dụng điện trường tác động lên momen từ của các electron. Ngoài ra, những hiện tượng cơ lượng tử phức tạp diễn ra trong các đơn lớp bán dẫn này có thể được ứng dụng trong công nghệ lượng tử.

Các nhà khoa học đang nỗ lực nghiên cứu phương pháp xếp chồng lên nhau những chất bán dẫn siêu mỏng này tạo thành vật liệu tổng hợp mới, được gọi là dị cấu trúc van der Waals, nhưng vẫn chưa thành công trong việc kết hợp một đơn lớp như vậy với các tiếp điểm siêu dẫn để tìm hiểu sâu hơn những tính chất và đặc tính của vật liệu mới.

Một nhóm các nhà vật lý, do TS Andreas Baumgartner dẫn đầu thuộc nhóm nghiên cứu của GS Christian Schönenberger tại Viện Khoa học nano Thụy Sĩ và Khoa Vật lý của Đại học Basel, lắp đặt thành công một đơn lớp chất bán dẫn molypden disulfide (MoS2) với các tiếp điểm siêu dẫn.

Sự kết hợp giữa chất bán dẫn và siêu dẫn đặc biệt được quan tâm do các chuyên gia kỳ vọng các chi tiết bán dẫn loại này sẽ có những đặc tính và hiện tượng vật lý hoàn toàn mới.

Baumgartner, chủ nhiệm dự án nghiên cứu giải thích: “Trong một chất siêu dẫn, các electron tự sắp xếp thành từng cặp với những tính chất kỳ lạ, như dòng điện chạy không có điện trở. Trong chất bán dẫn molypden disulfide, các điện tử thực hiện một điệu nhảy đơn độc kết hợp với các momen từ. Chúng tôi muốn hiểu rõ, khi hai loại vật liệu này kết hợp với nhau, các điện tử sẽ thực hiện những vũ điệu mới và kỳ lạ nào".

Quy trình chế tạo chất bán dẫn tiếp điểm siêu dẫn

Những phép đo điện ở nhiệt độ thấp cần thiết đảm bảo tính siêu dẫn - trên độ không tuyệt đối (-273,15°C) cho thấy những ảnh hưởng do chất siêu dẫn gây ra; ví dụ, ở những cấp độ năng lượng nhất định, không còn các electron đơn lẻ. Đồng thời, các nhà nghiên cứu phát hiện thấy dấu hiệu sự kết hợp chặt chẽ giữa lớp bán dẫn và chất siêu dẫn.

Những phép đo cho thấy, các linh kiện bán dẫn đơn lớp lai ghép này thực sự có thể thực hiện được với các vật liệu tiếp xúc khác, mở ra những hướng nghiên cứu cho những ứng dụng mới.

Bán dẫn đơn lớp molypden disulfide (MoS2) kẹp giữa hai lớp bảo vệ boron nitride (hBN), các tiếp điểm molypden rheni (MoRe) kéo dài ở lớp trên. Lớp graphene (cổng) được sử dụng để điều khiển điện áp. Ảnh minh họa: Mehdi Ramezani, Viện Khoa học nano Thụy Sĩ, Đại học Basel.

Quy trình chế tạo chi tiết các lớp vật liệu khác nhau đòi hỏi rất nhiều bước phức tạp. Điều kiện tiên quyết là sạch tuyệt đối, tránh ảnh hưởng đến sự vận chuyển các điện tích.

Để bảo vệ chất bán dẫn, các nhà nghiên cứu đặt một lớp molypden disulfide giữa hai lớp mỏng boron nitride, ngăn chặn các điểm tiếp xúc theo chiều dọc bằng phương pháp in thạch bản chùm tia điện tử và khắc ion.

Sau đó, các nhà khoa học in 3D lắng đọng một lớp mỏng molypden rheni làm vật liệu tiếp xúc, vật liệu có thể giữ được đặc tính siêu dẫn ngay cả khi dưới từ trường mạnh.

Chi tiết bán dẫn được chế tạo trong hộp chứa khí nitơ bảo vệ, các nhà khoa học xếp các lớp boron nitride lên lớp molypden disulfide cả mặt trên và dưới cùng một lớp graphene để điều khiển điện thế. Cấu trúc dị hình van der Waals phức tạp này được đặt lên trên một tấm silicon/silicon-dioxide.