Experimenten in Nijmeegs magnetenlab onthullen geheimen van veelbelovende nieuwe halfgeleider

Onderzoeker Sacha Oleksandr Zheliuk

Onderzoekers van HFML-FELIX zijn – in samenwerking met collega’s uit Groningen en Singapore – een belangrijke stap dichterbij het begrijpen van een veelbelovende nieuwe halfgeleider.

Elektronica is door de jaren heen kleiner en kleiner geworden, maar daardoor lopen onderzoekers nu steeds vaker tegen de grenzen van de natuurkunde aan. Sommige processen werken namelijk heel anders als je ze verkleint, en soms werken ze daardoor gewoon helemaal niet meer.

Dat vraagt om oplossingen. Bijvoorbeeld om andere tweedimensionale elektronensystemen, gemaakt van misschien wel materialen die we nu nog helemaal niet gebruiken. Materialen die op nanoniveau in elkaar worden gezet in het lab en die bij de juiste stimuli eigenschappen laten zien die we nog niet kennen of nog niet ruim tot onze beschikking hebben. Eigenschappen als supergeleiding, of magnetisme bijvoorbeeld.

Veelbelovende materialen

Onder andere grafeen (bekend van de Nobelprijs in 2010), maar ook iets als zwarte fosfor en zogenaamde 2D-TMD’s (tweedimensionale overgangsmetaal dichalcogeniden) zijn interessante kandidaten gebleken. Met slechts één of een paar laagjes atomen laten deze materialen uitzonderlijke optische, elektronische, chemische en mechanische eigenschappen zien. Interessant voor allerlei applicaties, waaronder sensoren, katalysatoren en kwantumelektronica.

Sinds een aantal jaar is er ook veel interesse in dunne tweedimensionale oxides: chemische verbindingen met tenminste één zuurstofatoom. Eén van de rijzende sterren onder de oxides is bismuth oxyselenide (Bi2O2Se). Maar om aan de slag te kunnen met dit veelbelovende materiaal, moeten we het wel eerst helemaal begrijpen en dat doen we nog niet.

Quantum Hall Effect

In een publicatie in Nature Communications zetten onderzoekers van HFML-FELIX – in samenwerking met collega’s uit Groningen en Singapore – daar een belangrijke stap in. Ze hebben niet alleen nieuwe elektronica van hoge kwaliteit ontwikkeld, ze tonen ook het Quantum Hall Effect (bekend van Nobelprijzen in 1985, 1998 en 2010) in dit materiaal aan.

Het Quantum Hall Effect beschrijft hoe elektronische weerstand heel precies en universeel gemeten kan worden in materiaal van slechts een paar atomen dik. Door dit effect in hoge magneetvelden en bij lage temperaturen te onderzoeken – wat in dit onderzoek is gebeurd met Bi2O2Se – kunnen onderzoekers meer zeggen over de fundamentele eigenschappen van nieuwe materialen. Pas dan worden ze interessant voor toepassingen, waaronder kwantumelektronica.

De nieuwe paper is te vinden op de site van Nature Communications:

Quantum Hall effect in a CVD-grown oxide

Contactpersoon: oleksandr.zheliuk@ru.nl