Caracterización de heteroestructuras 2D van der Waals con probe stations

CPX Cryogenic Probe Station de Lake Shore
CPX Cryogenic Probe Station de Lake Shore

Las heteroestructuras de van der Waals (vdW) están formadas por capas muy delgadas (a escala atómica) de materiales bidimensionales 2D. Cada vez más grupos de investigación estudian este tipo de estructuras mixtas por sus inusuales propiedades, los fenómenos físicos que experimentan y sus posibles aplicaciones.

Los materiales que presentan interaciones de van der Waals, como son el grafeno, el nitruro de boro hexagonal y el disulfuro de molibdeno, se caracterizan por enlazarse fuertemente a nivel de intercapa, con estructuras internas (vdW) débiles. Al combinar capas de semejantes materiales, se están descubriendo estructuras novedosas, imposibles de lograr con materiales convencionales (1).

 

Heteroestructuras 2D: estudios recientes

Diversos tipos de instrumentación diseñados y fabricados por Lake Shore Cryotronics han contribuido en este tipo de investigaciones, principalmente para la caracterización de los mecanismos de transporte de las heteroestructuras diseñadas.

La combinación de una baja fuga de corriente con el control ambiental que proporcionan las probe stations, ofrece distintas ventajas para la investigación de materiales 2D. Dado que muchos materiales vdW son químicamente inestables en la atmósfera, la caracterización de los mismos debe realizarse en entornos de vacío.

Las estaciones de puntas pueden usarse asimismo para el estudio de ciertos dispositivos multicapa a diferentes presiones de vacío, proporcionando información sobre la influencia de, por ejemplo, el oxígeno absorbido y el agua en las propiedades de transporte de carga (2).

Algunas investigaciones recientes sobre heteroestructuras 2D con probe stations son las siguientes:

- Investigadores del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología de China y la Universidad de la Academia de Ciencias de China están desarrollando transistores de efecto de campo semiverticales (SVFETs, por sus siglas en inglés) con más características de respuesta fotográfica. Para esto fabricaron transistores de molibdeno ditellurida (Mo Te2) / disulfuro de molibdeno (MoS2), en los que las “partes laterales de MoTe2 actúan como canales y los vdWs debajo de los electrodos forman vías de transporte vertical”.

Para la caracterización del dispositivo las medidas de transporte eléctrico se realizaron con una probe station TTPX de Lake Shore en un entorno de vacío.

- Investigadores de la Universidad de Tsinghua y de la Universidad de Tecnología de Beijing fabricaron una heteroestructura de grafeno / disulfuro de tungsteno (VSe2) /CNT para su uso potencial como fotodectectores de alto rendimiento.

En esta aplicación se agregó una CNT 1D a una pila de materiales 2D, con la probe station CRX-4K de Lake Shore en un entorno de vacío.

- Un equipo de investigadores de Rusia y Austria fabricaron FET de disulfuro de molibdeno (MoS2) / fluorita epitaxial (CaF2) como parte del trabajo de desarrollo de aislantes de compuertas de alta calidad, compatibles con 2D. Extendieron las propiedades de apilamiento de las heteroestructuras 2D a las capas de CaF2, formando una interfaz "cuasi" vdW con los semiconductores MoS2. En el proceso lograron "un gran avance hacia la habilitación de capas dieléctricas a gran escala para la nanoelectrónica 2D de próxima generación".

En esta investigación se usó una probe station de Lake Shore para medir muestras bajo ∼5 × 10−6 torr, en completa oscuridad.

- Un equipo liderado por investigadores de la Universidad de Nueva York y la Universidad de Columbia informó sobre la fabricación de contactos de metal en materiales 2D con alta reproducibilidad. El equipo fabricó específicamente FET de MoS2, y halló “curvas IV lineales incluso a bajas temperaturas, alturas de barrera Schottky récord (~ 0 mV), relaciones de encendido / apagado altas (109 – 1010) y un swing por debajo del umbral excepcionalmente bajo (64 mV por década)”.

Para la caracterización de las muestras exfoliadas utilizaron una probe station de Lake Shore en ambiente de vacío a 10−5  torr.

 

VSM y medidores de efecto Hall

Además de las probe stations, Lake Shore también diseña y fabrica sistemas VSM (Vibrating Sample Magnometers Systems) altamente sensibles para la caracterización de estructuras vdW, que contienen materiales magnéticos y nanopartículas, así como el nuevo medidor rápido de efecto Hall MeasureReady M91 FastHall™ "todo-en-uno". El M91 puede acelerar las mediciones de movilidad de Hall de los materiales semiconductores 2D, ya sea utilizado solo o en conjunto con una probe station equipada con un imán electromagnético o superconductor.

(1) Investigación conjunta sobre nuevas propiedades físicas y funcionalidades de los materiales 2D emergentes y las heteroestructuras de van der Waals, programa A3 Foresight.
(2) Conversión del transistor MoTe2 multicapa entre tipo P y tipo N y su uso en el inversor, Nanoscale Research Letters, v. 13, 2018, DOI: 10.1186/s11671-018-2721-0.

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