Forschung

Halbleiter mit Supraleiter-Kontakten

07.07.2021 - Basis für dünne Bauelemente mit neuen elektronischen und optischen Eigenschaften.

Forschende der Universität Basel haben erstmals einen atomar dünnen Halbleiter mit supra­leitenden Kontakten versehen. Solche extrem dünnen Bauelemente mit neuartigen elektronischen und optischen Eigen­­schaften könnten den Weg für bisher ungeahnte Anwendungen ebnen. Kombiniert mit Supra­leitern sollen sie neue Quantenphänomene erzeugen und Verwendung in der Quanten­technologie finden.

Für zukünftige Anwendungen in der Elektronik und der Quanten­technologie werden neue Bauelemente entwickelt, die aus nur einer einzigen Lage eines Halbleiter­materials bestehen. In der Natur kommen Materialien mit Halbleiter­eigenschaften vor, in denen solche Monolagen zu einem drei­dimensionalen Kristall gestapelt sind. Im Labor können Forschende solche Schichten, die nicht dicker sind als ein Einzel­molekül, voneinander lösen und zu elek­tronischen Bauteilen verarbeiten. Diese super­dünnen Halbleiter versprechen einzig­artige Besonder­heiten, die sonst nur sehr schwer zu beherrschen sind, wie zum Beispiel die Kontrolle von magnetischen Eigen­schaften der Elektronen durch elektrische Felder. Daneben spielen sich in diesen Halbleiter-Monolagen komplexe quanten­mechanische Phänomene ab, die in der Quanten­technologie genutzt werden können.

Wissenschaftler weltweit forschen daran, die dünnen Halbleiter zu neuen syn­thetischen Materialien, den van-der-Waals-Hetero­strukuren, zu stapeln. Ihnen ist es bisher jedoch nicht gelungen, eine Monolage mit supra­leitenden Kontakten zu verknüpfen, um damit die Eigenschaften und Besonder­heiten der neuen Materialien noch weiter zu erforschen. Ein Team von Physikern um Andreas Baum­gartner in der Forschungs­gruppe von Christian Schönen­berger, beide am Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel, haben nun erstmals eine Monolage des Halbleiters Molybdän­disulfid mit supra­leitenden Kontakten versehen.

Diese Verknüpfung von Halbleiter und Supraleiter ist so interessant, weil Fachleute in solchen Bauteilen neue Eigenschaften und physi­kalische Phänomene erwarten. „Wir können uns vorstellen, dass in einem Supraleiter die Elektronen sich wie beim Paartanz zu Paaren anordnen, mit phantas­tischen Konse­quenzen, wie zum Beispiel, dass Strom ohne Widerstand geleitet wird“, sagt Andreas Baumgartner. „Im Halbleiter Molybdän­disulfid tanzen die Elektronen hingegen einen ganz anderen, sonderbaren Einzeltanz, der auch deren magne­tische Eigenschaften beinhaltet. Wir möchten jetzt heraus­finden, auf welche neuartigen und exotischen Tänze die Elektronen sich einigen, wenn wir solche Materialien kombinieren.“ Die elek­trischen Messungen bei den für Supra­leitung nötigen tiefen Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt zeigen klare Effekte durch den Supraleiter, wie zum Beispiel, dass Elektronen nur noch als Paare auftreten. Zudem fanden die Forschenden auch Hinweise auf eine starke Kopplung zwischen der Halbleiter­schicht und dem Supraleiter. 

„Eine starke Kopplung ist wichtig für spannende und neue physikalische Phänomene, die wir in derartigen van-der-Waals-Hetero­strukturen erwarten, aber noch nie zeigen konnten“,sagt Mehdi Ramezan. „Und natürlich hoffen wir immer auf Anwendungen in der Elektronik und der Quanten­technologie“, verrät Andreas Baumgartner. „Die von uns entwickelten vertikalen Kontakte zu den Halbleiter­schichten lassen sich prinzipiell auf eine Vielzahl von Halbleitern anwenden. Unsere Messungen zeigen, dass solche hybriden Mono­lagen-Halbleiter-Bauteile durchaus möglich sind – vielleicht auch mit anderen, noch exotischeren Kontakt­materialien, die noch weitere neue Erkennt­nisse ermöglichen würden“, fügt er hinzu.

U. Basel / JOL

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