1709365762
2024-03-02 07:33:02
画像：
グラフェン層がどのように水を防ぐかを示す概略図。 トポロジカル絶縁体インデネンの端に沿って流れる電流は、外部の影響をまったく受けません。
クレジット: Jörg Bandmann、pixelwg
その基本コンポーネントであるトランジスタがさらに小さくコンパクトなサイズに縮小されるにつれて、ますます高速かつ強力なコンピュータ チップを開発する競争が続いています。 数年後には、これらのトランジスタの直径はわずか数個の原子になるでしょう。その時点では、現在使用されているシリコン技術の微細化は物理的な限界に達しているでしょう。 したがって、まったく新しい特性を備えた代替材料の探求は、将来の技術進歩にとって極めて重要です。
2021 年に遡ると、JMU ヴュルツブルク大学とドレスデン工科大学のクラスター オブ エクセレンス ct.qmat – 量子物質の複雑性とトポロジーの科学者らが重要な発見をしました。それは、超高速でエネルギー効率の高いエネルギー効率の高いインデネンのようなトポロジカル量子材料です。エレクトロニクス。 結果として得られる極めて薄い量子半導体は、単一の原子層 (インデネンの場合はインジウム原子) で構成され、トポロジカル絶縁体として機能し、エッジに沿って事実上抵抗なく電気を伝導します。
「このような単一原子層を生成するには、高度な真空装置と特定の基板材料が必要です。 この二次元材料を電子部品に利用するには、真空環境から取り出す必要があります。 しかし、たとえ短時間であっても空気にさらされると酸化が起こり、その革新的な特性が破壊され、役に立たなくなります」とct.qmatのヴュルツブルク広報担当、実験物理学者ラルフ・クラーセン教授は説明する。
ct.qmat Würzburg チームはこの問題を解決することに成功しました。 彼らの結果は雑誌に掲載されました ネイチャーコミュニケーションズ。
保護コーティングを求めて
「私たちは、保護コーティングを使用して、敏感なインデネン層を環境要素から保護する方法を見つけるのに 2 年を費やしました。 課題は、このコーティングがインデネン層と相互作用しないようにすることでした」と、このプロジェクトに携わったクラーセンの博士課程の学生の一人、セドリック・シュミットは説明します。 この相互作用には問題があります。なぜなら、保護層と半導体などの異なる種類の原子が出会うと、原子レベルで化学反応が起こり、材料が変化するからです。 これは、複数の原子層で構成されている従来のシリコンチップでは問題ではなく、十分な層が影響を受けずにそのまま機能するためです。
「インデネンのような単一原子層からなる半導体材料は、通常、保護膜によって損傷を受けます。 これは、私たちの研究への好奇心を刺激する、一見克服不可能な課題を提起しました」とクラッセン氏は言います。 実行可能な保護層の探索により、オランダの物理学者ヨハネス・ディデリク・ファン・デル・ワールス（1837～1923）にちなんで名付けられたファン・デル・ワールス材料の研究が行われました。 クラーセン氏は次のように説明しています。「これらの二次元ファンデルワールス原子層は、原子間の強い内部結合を特徴としていますが、基板との結合は弱くしかありません。 この概念は、原子がハニカム層に配置された炭素の一種であるグラファイトで作られた鉛筆の芯が紙に書く方法に似ています。 グラフェンの層は簡単に分離できます。 私たちはこの特徴を再現することを目指しました。」
成功！
ヴュルツブルクのチームは、洗練された超高真空装置を使用して、インデネンの基板として炭化ケイ素 (SiC) を加熱する実験を行い、そこからグラフェンを形成するために必要な条件を調査しました。 「炭化ケイ素はケイ素原子と炭素原子で構成されています。 加熱すると炭素原子が表面から剥がれてグラフェンが形成されます」とシュミット氏は実験室のプロセスを説明しています。 「その後、インジウム原子を蒸着し、保護グラフェン層と炭化ケイ素基板の間に浸漬しました。 これが私たちの二次元量子材料インデネンの保護層が形成された方法です。」
広げられた傘
ct.qmatのヴュルツブルク支店のクラーセン氏と彼のチームは、世界で初めて、その並外れた量子特性を損なうことなく、二次元量子半導体材料の機能的保護層を作製することに成功した。 製造プロセスを分析した後、酸化と腐食に対する層の保護能力を徹底的にテストしました。 “それは動作します！ サンプルは水にさらされても何の影響も受けません」とクラッセン氏は喜びを語ります。 「グラフェン層はインデネンの傘のような役割を果たします。」
原子層エレクトロニクスを目指して
この画期的な進歩により、高感度の半導体原子層を含むアプリケーションへの道が開かれます。 極薄の電子部品を製造するには、空気またはその他の化学環境で処理する必要があります。 これは、この保護メカニズムの発見のおかげで可能になりました。 ヴュルツブルクのチームは現在、保護層として機能できるファンデルワールス材料をさらに特定することに重点を置いており、すでにいくつかの見通しを念頭に置いています。 問題は、グラフェンは環境要因から原子単層を効果的に保護するにもかかわらず、その導電性が短絡のリスクを引き起こすことです。 ヴュルツブルクの科学者たちは、これらの課題を克服し、明日の原子層エレクトロニクスのための条件を作り出すことに取り組んでいます。
クラスター オブ エクセレンス ct.qmat
クラスター・オブ・エクセレンス ct.qmat – 量子物質の複雑性とトポロジーは、2019 年からユリウス・マクシミリアン大学 (JMU) ヴュルツブルクとドレスデン工科大学 (TU) によって共同で運営されています。4 大陸 30 以上の国から 300 人以上の科学者が研究しています。超低温、高圧、強い磁場などの極限条件下で驚くべき現象を明らかにするトポロジカル量子材料。 ct.qmat は、連邦政府と州政府のドイツ エクセレンス戦略を通じて資金提供されており、ドイツで 2 つの異なる連邦州に拠点を置く唯一のクラスター オブ エクセレンスです。
ジャーナル
ネイチャーコミュニケーションズ
記事のタイトル
グラフェンインターカレーションデバイスによる原子的に薄い量子スピンホール絶縁体の環境安定性の達成
記事の公開日
2024 年 2 月 19 日
利益相反声明
利益相反の禁止
免責事項: AAAS と EurekAlert! EurekAlert! に投稿されたニュース リリースの正確性については責任を負いません。 貢献機関による、または EurekAlert システムを介した情報の使用。
#原子の傘 #最初の保護層