Des chercheurs réalisent des diodes tunnel résonnantes basées sur des homostructures de phosphore noir torsadées

Des chercheurs réalisent des diodes tunnel résonantes basées sur des homostructures de phosphore noir torsadées

Crédit: Srivastava et al.

Ces dernières années, les ingénieurs électroniciens du monde entier ont essayé de développer de nouveaux dispositifs à hétérostructure à semi-conducteurs utilisant des matériaux atomiquement minces. Parmi les nombreux dispositifs qui peuvent être fabriqués à l’aide de ces matériaux, on trouve des diodes tunnel résonantes, qui consistent généralement en une structure à puits quantique placée entre deux couches barrières.

Des recherches antérieures ont montré que l’empilement de couches bidimensionnelles (2D) torsadées les unes par rapport aux autres peut améliorer ou supprimer le couplage intercouche à leur interface. Cette suppression ou amélioration peut à son tour moduler les propriétés électroniques, optiques et mécaniques du dispositif résultant.

Par exemple, certaines études ont montré que le transport de courant intralayer dans le graphène bicouche torsadé aux petits angles a provoqué certains phénomènes exotiques, tels que la supraconductivité et le ferromagnétisme. Ces observations ont inspiré une approche fondamentalement nouvelle de l’ingénierie des dispositifs, connue sous le nom de «twistronics» (c’est-à-dire l’électronique de torsion).

Des chercheurs de l’Université Sungkyunkwan en Corée du Sud ont récemment mené une étude visant à évaluer le potentiel d’une conception twistronique pour des diodes tunnel résonantes basées sur des homostructures de phosphore noir. Les diodes tunnel résonantes résultantes, présentées dans un article publié dans Electronique Nature, présentent une conductance tunnel plus élevée que les diodes tunnel résonantes basées sur des hétérostructures de van der Waals.

« Le transport du courant entre les couches à travers les jonctions torsadées pourrait également être un sujet de recherche intrigant qui n’a pas encore été exploré », a déclaré Budhi Singh, l’un des chercheurs qui ont mené l’étude, à TechXplore. « Cela nous a motivés à étudier le comportement de transport de courant intercouche dans les homostructures torsadées à base de phosphore noir. »

Dans une série d’expériences en laboratoire, Singh et son équipe de recherche ont identifié un certain nombre de caractéristiques précieuses qui caractérisent le phosphore noir, notamment sa nature hautement anisotrope, une fonction de travail / densité de porteurs 2D dépendant de l’épaisseur et un couplage intercouche dépendant de l’angle de torsion. La nature hautement anisotrope du phosphore noir permet en fin de compte une force de couplage intercouche de disparition à des angles de torsion spécifiques.

« Fait intéressant, nous avons constaté que le transport de courant intercouche dans de telles jonctions torsadées pouvait être contrôlé même à des angles de torsion plus élevés », a déclaré Singh. « L’interface découplée et l’inadéquation d’impulsion créées par les surfaces de Fermi torsadées pourraient également affecter le comportement de transport de courant entre les couches et font partie de notre enquête principale. En revanche, l’observation de phénomènes exotiques dans le transport de courant intralayer dans les jonctions torsadées est limitée à des angles de torsion plus petits . « 

Pour évaluer le potentiel de la stratégie de conception qu’ils ont conçue, les chercheurs ont fabriqué une homojonction à trois couches de phosphore noir, en intégrant une fine couche de phosphore noir entre deux couches plus épaisses. Dans cette structure, la couche médiane, plus mince, est torsadée par rapport aux couches de phosphore noir supérieure et inférieure.

« En raison de la structure torsadée de nos appareils, les interfaces découplées se comportent comme une barrière tunnel pour le transport de porteurs de charge intercouche », a expliqué Singh. « Si nous comparons cette structure avec la diode tunnel résonnante à double barrière conventionnelle, le phosphore noir moyen sert d’analogue du puits quantique. »

Dans le dispositif fabriqué par Singh et ses collègues, l’émergence d’une résistance différentielle négative et l’évolution de la position du pic avec une épaisseur variable de la couche moyenne de phosphore noir ont produit une signature typiquement associée aux diodes tunnel résonantes. Le tunnel résonnant se produit lorsque l’énergie et l’impulsion des couches de phosphore noir supérieures et inférieures correspondent à celles des états du puits quantique, en raison de processus de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement.

«Chaque fois que nous parlons de phénomènes de tunnel, il doit y avoir une barrière physique (c’est-à-dire des matériaux avec de grandes bandes interdites d’énergie)», a déclaré Singh. « En général, cette architecture est réalisée dans un assemblage d’hétérostructures, mais nous avons démontré un tunnel résonnant à travers une homostructure sans avoir besoin d’une barrière tunnel physique. »

La stratégie de conception de twistronics introduite par Singh et ses collègues pourrait bientôt inspirer la fabrication d’autres appareils présentant une conductance tunnel remarquable. Dans le dispositif créé par les chercheurs, le mécanisme de tunnelage est dominé par un couplage intercouche contrôlé par torsion, ce qui se traduit par une densité de courant tunnel élevée. Le dispositif à diode des chercheurs et d’autres dispositifs tunnel à commande de torsion avec des densités de courant élevées pourraient finalement être utilisés pour réaliser une variété d’électronique à grande vitesse, y compris des oscillateurs THz et des commutateurs ultra-rapides.

«Dans un proche avenir, nous aimerions réaliser des expériences pour réaliser des homostructures torsadées au phosphore noir dans des applications pratiques, telles que des dispositifs THz et des applications en spectroscopie supraconductrice», a ajouté Singh.


Conductivité anormale dans le graphène bicouche torsadé à faible angle


Plus d’information:
Diodes tunnel résonantes basées sur des homostructures torsadées au phosphore noir. Electronique Nature(2021). DOI: 10.1038 / s41928-021-00549-1.

© Réseau Science X 2021

Citation: Des chercheurs réalisent des diodes tunnel résonnantes basées sur des homostructures de phosphore noir torsadées (2021, 7 avril) récupéré le 13 avril 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-04-resonant-tunnelling-diodes-based-black.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.