NWO-I

NWO - Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek - print-logo

URL voor deze pagina :
https://www.nwo-i.nl/fom-historie/jaarverslagen/hoogtepunten/hoogtepunten2015/nr-152-halfgeleider-honingraten-een-nieuwe-klasse-halfgeleidermaterialen/

Geprint op :
19 december 2018
15:14:06

Halfgeleiders met een honinggraatstructuur kunnen een nieuwe klasse materialen vormen. Deze materialen bezitten het beste van twee werelden: de elektronische eigenschappen lijken op die van grafeen, maar zijn tegelijkertijd beïnvloedbaar. Dit maakt deze materialen uitermate geschikt voor toepassingen in de spintronica.

Halfgeleiderkristallen met twee grote dimensies en de derde op nanometerschaal zijn diepgaand bestudeerd en worden nu toegepast in opto-elektronische
devices zoals lasers en zonnecellen. Onlangs werd duidelijk dat de eigenschappen verder gemanipuleerd kunnen worden door een extra periodiciteit in de laterale dimensies aan te brengen. Indien de ladingsdragers in een honingraatstructuur worden opgesloten ontstaan er geleidings- en valentiebanden met een lineaire dispersierelatie tussen kinetische energie en golfvector, vergelijkbaar met de Diracbanden in grafeen. Daarbij blijft de bandkloof van de halfgeleider behouden zodat de Diracbanden met opto-elektronica gecombineerd kunnen worden.

Honingraat halfgeleiders met Dirac-type elektronen en gaten
Verscheidene experimentele groepen, waaronder die in het FOM-programma 'Designing Dirac carriers in semiconductor superlattices', proberen op dit moment lood-, cadmium- en kwik-chalcogenide halfgeleiders in een honingraatgeometrie te maken met behulp van nanokristalassemblage 1 en top-down lithografie. De opto-elektronische eigenschappen zullen worden bestudeerd met optische en elektrische spectroscopie. De  nderzoekers hopen van tweedimensionale halfgeleiders met Dirac-type elektronen en gaten een onmiskenbaar nieuwe klasse materialen te maken.

Topologische banden: een nieuwe weg naar spintronica
In honingraathalfgeleiders met zware elementen zorgt de intrinsieke spin-baankoppeling voor het quantum-spin-Halleffect: de binnenkant van het honingraatrooster wordt een isolator terwijl aan de randen twee dispersieloze spinstromen in tegenovergestelde richting en met tegengestelde spin ontstaan. Dit opent een nieuwe weg naar spintronica. De onderzoekers voorspelden dat cadmiumtelenide en cadmiumselenide dit effect in de valentiebanden net onder de bandkloof zouden moeten hebben. Voor honingraat kwiktelenide (HgTe) voorspelden ze twee Dirackegels met respectievelijk S- en P-symmetrie met een zeer sterk quantumspin Halleffect, en verder ook een dispersieloze band. Coulombinteracties kunnen hier leiden tot nooit eerder geziene elektronische fasen zoals het fractioneel quantum-spin-Halleffect. De uitdaging bestaat er nu in om een honingraatstructuur van HgTe te maken, en vervolgens het elektron Fermi-niveau in de topologische banden te plaatsen.

Publicaties
Interview with Daniel Vanmaekelbergh for MRS TV bit.ly/21G5DCf
Science: bit.ly/216Jw5T
Phys.Rev.X: bit.ly/1TOFqPj
Nature: bit.ly/1LtToF4