스마트 폰, 텔레비전 또는 건축 기술에서 반도체는 전자 제품과 우리 일상 생활에서 중심적인 역할을합니다. 금속과 달리 전압을 적용하여 전기 전도도를 조정하여 전류 흐름을 켜고 끌 수 있습니다.
과학자들은 반도체 물질의 단일 층(단층)으로 구성된 새로운 부품 개발에 주력하고 있다.
반도체 특성을 가진 일부 자연 발생 물질은 이러한 종류의 단층을 특징으로 적층을 통해 3 차원 결정을 형성한다. 실험실에서 연구자들은 단일 분자보다 두껍지 않은 이러한 층을 분리하여 전자 부품을 만드는 데 사용할 수 있다.
이러한 초박형 반도체는 전자의 자기 모멘트에 영향을 미치는 전기장의 사용과 같이 제어하기 매우 어려운 고유한 특성을 제공한다. 또한 양자 기술에 응용할 수 있는 이러한 반도체 단층에서 복잡한 양자 역학적 현상이 발생한다.
이에 전 세계 과학자들은 이러한 얇은 반도체를 적층하여 반데발스 이종구조(van der Waals heterostructures)로 알려진 새로운 합성 재료를 형성하는 방법을 조사하고 있다. 그러나 지금까지 그들은 새로운 재료의 특성과 특성을 더 깊이 파고 들기 위해 그러한 단층과 초전도 접점(Superconducting contacts)을 결합하는 데 성공하지 못했다.
스위스 나노 과학 연구소(Swiss Nanoscience Institute) Christian Schönenberger 교수와 바젤 대학교(University of Basel) 물리학과 Andreas Baumgartner 박사가 이끄는 물리학자 팀은 반도체 몰리브덴 이황화물의 단층에 초전도 접점을 최초로 장착했다.
반도체와 초전도체의 결합은 새로운 특성과 물리적 현상을 나타낼 것으로 기대한다. 연구 프로젝트 관리자 Baumgartner는 “초전도체에서 전자는 쌍으로 배열되어 저항없는 전류의 흐름과 같은 이상하고 놀라운 결과를 가져온다. 반면 이황화 몰리브덴 반도체에서 전자는 완전히 다른 춤을 춘다. 자기 모멘트도 포함하는 이상한 솔로 루틴이다. 이를 결합하면 전자가 어떤 새로운 거동을 보이는지 알아 내고 싶다”고 말했다.
절대 0도(섭씨 -273.15도) 바로 위의 초전도에 필요한 저온에서의 전기 측정은 초전도체로 인한 영향을 명확하게 보여준다. 예를 들어, 특정 에너지에서 단일 전자는 더 이상 허용되지 않는다.
연구진은 반도체 층과 초전도체 사이의 강한 결합의 징후를 발견했다. 이 연구의 주 저자 Mehdi Ramezani는 “강한 결합은 우리가 그러한 van der Waals heterostructures에서 볼 수 있을 것으로 기대하는 새롭고 흥미로운 물리적 현상의 핵심 요소”라고 말한다.
Baumgartner는 “물론 우리는 항상 전자 및 양자 기술의 새로운 응용 분야를 희망한다”며 “원칙적으로 우리가 반도체 층을 위해 개발한 수직 접점은 많은 수의 반도체에 적용될 수 있다. 우리의 측정은 이러한 하이브리드 단층 반도체 구성 요소가 실제로 가능함을 보여줍니다. 더 많은 통찰력을 얻을 수 있는 방법 “이라고 덧붙였다.
다른 재료로 만들어진 샌드위치 유형에서 새로운 구성 요소를 제작하려면 여러 단계가 필요하다. 각 단계에서 오염을 피하는 것이 중요하다. 오염은 전하의 수송을 심각하게 손상시키기 때문이다.
반도체를 보호하기 위해 연구진은 두 개의 얇은 질화 붕소 층 사이에 이황화 몰리브덴 단층을 포장하고, 이를 통해 이전에 전자빔 리소그래피와 이온 에칭을 사용하여 접점을 수직으로 에칭했다. 그런 다음 접촉 재료로 몰리브덴 레늄의 얇은 층을 증착한다. 이 재료는 강한 자기장이 존재하더라도 초전도 특성을 유지한다.
연구진은 글로브 박스의 보호 질소 분위기에서 작업하면서 질화 붕소 층을 이황화 몰리브덴 층 위에 쌓고 밑면을 질화 붕소 층과 전기 제어를 위한 그래핀 층과 결합한다. 연구진은 이 정교한 반 데르 발스 이종 구조를 실리콘 / 이산화 규소 웨이퍼 위에 배치한다.
