Fuente: Srivastava et al.
En los últimos años, ingenieros electrónicos de todo el mundo han intentado desarrollar nuevos dispositivos semiconductores heteroestructurados utilizando materiales atómicamente delgados. Entre los muchos dispositivos que se pueden fabricar con estos materiales se encuentran los diodos de túnel resonantes, que normalmente consisten en una estructura de pozo cuántico intercalada entre dos capas de barrera.
Investigaciones anteriores han demostrado que apilar capas bidimensionales (2D) que están retorcidas entre sí puede mejorar o suprimir el acoplamiento entre capas en su límite. Esta atenuación o ganancia puede modular a su vez las propiedades electrónicas, ópticas y mecánicas del efecto resultante. equipo.
Por ejemplo, algunos estudios han demostrado que el transporte de corriente intracapa en el grafeno de dos capas retorcido de ángulo bajo induce algunos fenómenos exóticos como la superconductividad y el ferromagnetismo. Estas observaciones inspiraron un enfoque completamente nuevo de la ingeniería de dispositivos conocido como “twistronics” (es decir, electrónica giratoria).
Científicos de la Universidad de Sungkyunkwan en Corea del Sur realizaron recientemente un estudio para evaluar el potencial del proyecto twistronics para diodos de efecto túnel resonantes basados en homoestructuras de fósforo negro. Los diodos de efecto túnel resonantes resultantes, presentados en un artículo publicado en Naturaleza Electrónicamuestran una conductividad de túnel más alta que los diodos de túnel resonantes basados en heteroestructuras de van der Waals.
“El transporte de corriente entre capas a través de conexiones trenzadas también podría ser un tema de investigación intrigante que aún no se ha explorado”, dijo TechXplore Budhi Singh, uno de los investigadores detrás del estudio. “Esto nos motivó a estudiar el comportamiento del transporte de corriente entre capas en homoestructuras retorcidas basadas en fósforo negro”.
En una serie de experimentos de laboratorio, Singh y su equipo de investigación identificaron una serie de características valiosas del fósforo negro, incluida su naturaleza altamente anisotrópica, función / densidad de trabajo 2D dependiente del grosor y acoplamiento entre capas de ángulo de torsión. La naturaleza altamente anisotrópica del fósforo negro finalmente permite que la fuerza del acoplamiento entre capas decaiga en ciertos ángulos de torsión.
“Curiosamente, encontramos que el transporte de corriente entre capas en tales conectores retorcidos se puede controlar incluso en ángulos de dirección más altos”, dijo Singh. “La interfaz desacoplada y el desajuste de momento creado por las superficies trenzadas de Fermi también pueden influir en el comportamiento del transporte de corriente entre capas y es parte de nuestro estudio fundamental. Por el contrario, la observación de fenómenos exóticos en el transporte de corriente dentro de la capa en conexiones trenzadas se limita a ángulos de torsión más pequeños ‘.
Para evaluar el potencial de su estrategia de diseño, los científicos crearon una homounión de fósforo negro de tres capas integrando una capa delgada de fósforo negro entre dos capas más gruesas. En esta estructura, la capa media, más delgada, se retuerce con respecto a las capas superior e inferior de fósforo negro.
“Debido a la estructura retorcida de nuestros dispositivos, las interfaces desacopladas actúan como una barrera de túnel para transportar portadores de carga entre capas”, explicó Singh. “Si comparamos esta estructura con un diodo túnel de resonancia doble convencional, el fósforo negro medio sirve como análogo de un pozo cuántico”.
En un dispositivo fabricado por Singh y sus colegas, la aparición de una resistencia diferencial negativa y la evolución de la posición del pico con un grosor variable de la capa intermedia de fósforo negro dieron la firma típicamente asociada con los diodos de túnel resonantes. El efecto túnel resonante se produce cuando la energía y el impulso de las capas superior e inferior de fósforo negro coinciden con la energía y el impulso de los estados de los pozos cuánticos, debido a los procesos de conservación de energía y impulso.
“Siempre que hablamos de túneles, debe haber una barrera física (es decir, materiales de banda de alta energía)”, dijo Singh. “En general, esta arquitectura se logra en un conjunto de heteroestructuras, pero hemos demostrado un túnel de resonancia a través de una homoestructura sin la necesidad de ninguna barrera física de túnel”.
La estrategia de diseño de twistronics introducida por Singh y sus colegas pronto puede inspirar la producción de otros dispositivos que exhiban una conductividad de túnel notable. En un dispositivo ideado por los científicos, el mecanismo de tunelización está dominado por un acoplamiento entre capas impulsado por torsión, lo que da como resultado una alta densidad de corriente de tunelización. El dispositivo de diodos de los científicos y otros dispositivos de túnel controlados por torsión de alta densidad de corriente podrían eventualmente usarse para realizar una variedad de circuitos electrónicos de alta velocidad, incluidos osciladores THz e interruptores ultrarrápidos.
“En un futuro próximo, nos gustaría experimentar para hacer que el rizado negro fósforo homoestructuras en aplicaciones prácticas como dispositivos THz y aplicaciones en espectroscopia superconductora ”, añadió Singh.
Diodos de efecto túnel resonantes basados en homoestructuras trenzadas de fósforo negro. Naturaleza Electrónica(2021). DOI: 10.1038 / s41928-021-00549-1.
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