Фізики зі Швейцарського інституту нанонаук зацікавилися, чи зміняться електронні та оптичні властивості напівпровідника із моношару дисульфіду молібдену, якщо його поєднати із надпровідником на основі молібдену ренію. Так вчені побачили явну надпровідну щілину, а також особливості, які передбачають більш сильний зв'язок надпровідник-напівпровідник. Причому зонна структура та висока рухливість носіїв заряду напівпровідника від цього не постраждали. Це відкриває можливість використовувати одношарові напівпровідники як платформу для надпровідників, повідомляють вчені у Nano Letters.
Ілюстрація створеного «сендвічу» з напівпровідника та надпровідника і утворена між ними енергетична щілина. Mehdi Ramezani et al. / Nano Letters, 2021
Навіщо їх поєднувати?
З відкриттям двомірного графену, який поруч зі своїми незвичайними властивостями (наприклад, надпровідність), став ще і найкращою експериментальною платформою, матеріалознавці зацікавилися у створенні й інших двомірних матеріалів з унікальними електронними та оптичними властивостями. Як і графен, діхалькогеніди перехідних металів, як-то дисульфід молібдену, мають шарувату структуру з сильними зв'язками між шарами, та при цьому слабкими силами міжмолекулярної взаємодії (сили Ван дер Ваальса). Завдяки цьому вони набувають унікальних властивостей, зокрема напівпровідних, які на відміну від графену, роблять його кращим кандидатом на заміну кремнію в електроніці.
Втім, ще більш плідною області для експериментів стали дослідження напівпровідників у поєднанні з надпровідними металами. Від такого поєднання вчені очікують, що компоненти такого типу проявлять нові властивості і фізичні явища, наприклад використання електричних полів для впливу на магнітні моменти електронів. Такі матеріали можуть стати основою для надпровідних кубітів з перебудовуваним затвором та джерелом заплутаних електронів, або передбачуваного налаштування майоранівських станів для тих же квантових комп'ютерів. Однак, експерименти проводилися в основному на нанодротах, а щоб отримати більш гнучкі платформи і масштабовані архітектури, потрібно зосередитися на двомірних напівпровідниках, що і зробили у своїй роботі вчені.
Що фізики склеїли?
Шаруваті діхалькогеніди молібдену і вольфраму є напівпровідниками із забороненою зоною 1.3-2.1 електронвольта — стільки енергії потрібно електронам, щоб перейти з валентної у провідну зону та почати проводити струм. Дисульфід молібдену вважається одним із найперспективніших напівпровідників, оскільки завдяки своїй високій рухливості електронів та їхній великій довжині вільного пробігу, дає можливість створювати наноструктури, які можна контролювати за допомогою прикладеного електричного поля. Тому він і став ідеальним кандидатом на об'єднання із надпровідником у вертикальних гетероструктурах — він демонструє ознаки і власної надпровідності, і навіть набуває магнітних властивостей за низьких концентрацій електронів.
Однак для використання його якостей та безпосереднього їхнього налаштування, потрібно було знайти спосіб поєднати два види матеріалів. У цьому заважають бар'єр Шотткі, деградація та забруднення під час виготовлення нової структури, що серйозно погіршують перенесення електричних зарядів. Тому у своїй роботі, щоб захистити напівпровідник, дослідники помістили моношар дисульфіду молібдену між двома тонкими шарами нітриду бору, через які вони попередньо протравили контакти по вертикалі за допомогою електронно-променевої літографії і іонного травлення. Затим нанесли надпровідник з молібдену ренію та шар графену, щоб контролювати її за допомогою зовнішнього електричного поля, та перенесли весь цей «сендвіч» на пластину з діоксиду кремнію. Будували свою конструкцію вчені у захисній атмосфері азоту за температури у 60 мікрокельвінів (та проміжною у 1,7 кельвіна — мінус 271,45 градуса Цельсія).
Оптичне мікроскопічне зображення гетероструктури MoS2 з контактами надпровідного MoRe за різних значень магнітної індукції (0 і 9 тесла). Mehdi Ramezani et al. / Nano Letters, 2021
Як працюють матеріали разом?
У створеному вченими матеріалі вони спостерігали надпровідну енергетичну щілину у поведінці електронів — властиве тільки надпровідникам явище, коли об'єднані у куперівські пари електрони на рівні Фермі відмежовуються від збуджених частинок. При цьому вона також була залежною від магнітного поля і температури, хоча зв'язок надпровідник-напівпровідник посилився, на що вказав ефекти близькості. Так частина куперівських пар з надпровідника потрапила у напівпровідник, а поблизу точки контакту двох матеріалів почав текти надпровідний струм. Однак, дисульфід молібдену не втратив своїх напівпровідних якостей та зберіг високу рухливість електронів та спін-орбітальну взаємодію, що помітили на енергетичному спектрі.
Додатковими вказівками на посилений зв'язок між матеріалами стало те, що набуті риси практично не залежали від напруги затвора при нульовому значенні магнітного поля — на це вказало андреєвське відбиття, що мало б зникнути зі збільшенням магнітної індукції. Хоча на рівні у дев'ять тесла надпровідна щілина зменшилася, тобто стала підконтрольною затвору у руках вчених. Ці результати якісно узгоджуються з розрахунками для фазового переходу матеріалів, хоча за словами вчених, геометрію конструкції варто доопрацювати, щоб перейти до більш низьких концентрацій електронів в експериментах.
Але звісно головним по «сендвічам» є графен — його фізики згинають, закручують під «магічним кутом» та керують його провідними властивостями, як-то перетворюють його на ізолятор та надпровідник одночасно.