特殊设计的晶体管使研究人员能够“听到”有前景的纳米材料中的缺陷

由纽约大学Tandon工程学院和韩国科学技术院（KAIST）领导的一个国际研究小组开创了一种新技术，用于识别和表征六方氮化硼（hBN）中的原子级缺陷，hBN是一种二维（2D）材料，因其卓越的性能而常被称为“白色石墨烯”

这一进展可能会加速下一代电子和量子技术的发展

该团队报告称，它能够检测到hBN晶体中替代硼原子的单个碳原子的存在。这一发现是通过倾听特殊设计的晶体管中的电子“噪音”而实现的，类似于在安静的房间里听到耳语

该研究发表在《ACS Nano》杂志上，该杂志选择该研究论文作为2024年10月22日版的封面故事

“在这个项目中，我们基本上为2D材料创建了一个听诊器，”该论文的通讯作者之一Davood Shahrjerdi和Yong Hoon Kim说。“通过分析电流中微小而有节奏的波动，我们可以‘感知’单原子缺陷的行为。”

Shahrjerdi是纽约大学坦登分校电气与计算机工程系的副教授，纽约大学无线学院的教员，也是2023年开业的纽约大学纳米制造洁净室（NanoFab）的主任。金是韩国科学技术院的电气工程教授。Shahrjerdi和Kim也是纽约大学-韩国科学院全球创新与研究所的附属教员，他们领导着纽约大学-日本科学院下一代半导体器件和芯片研究小组的合作

2022年9月，韩国总统在纽约大学正式启动了NYU-KAIST合作伙伴关系。这一历史性的合作伙伴关系结合了两所大学的独特优势，推动了研究和教育的进步，目前涉及两所大学200多名教职员工

单晶hBN已成为科学界的一种神奇材料，有望将非传统电子学领域转变为量子技术

hBN的原子薄结构和优异的绝缘性能使其成为承载传统材料无法实现的奇特物理现象的理想介质。hBN中的原子缺陷会降低其电子性能，有时可以用于量子技术

纽约大学团队使用夹在hBN层之间的几层薄二硫化钼（另一种二维半导体材料）构建了一个晶体管。通过将该器件冷却到低温并施加精确的电压，他们能够观察到流经晶体管的电流的离散跃变

这些跳跃被称为随机电报信号（RTS），发生在hBN中的缺陷捕获和释放电子时。通过在不同温度和电压下仔细分析这些信号，研究小组能够确定缺陷的能级和空间位置

“这就像我们开发了一种可以‘看到’单个原子的显微镜，但我们使用的不是光，而是电，”该论文的第一作者黄朱军说，他在研究时是纽约大学Tandon ECE博士生

KAIST团队随后使用先进的计算机模拟来阐明实验观测的原子起源。具体来说，实验和理论的结合表明，缺陷是位于hBN晶体结构中硼原子应该所在位置的碳原子

Sharhrjerdi和Kim解释说：“了解和控制2D材料中的缺陷可能对电子和量子技术的未来产生重大影响。”。“例如，我们可能能够创建更完美的量子材料平台，用于发现新的物理学或用于安全通信的单光子发射器。”

这项工作增加了纽约大学Tandon在量子材料和器件技术方面不断扩大的投资组合，与CHIPS和《科学法案》的半导体创新目标相一致。先前的研究证明了低无序量子材料的纳米制造原理及其与超导体集成时在器件中的潜力 More information: Zhujun Huang et al, Characterizing Defects Inside Hexagonal Boron Nitride Using Random Telegraph Signals in van der Waals 2D Transistors, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c06929

Journal information: ACS Nano