专门设计的晶体管使研究人员能够听到有前途的纳米材料中的缺陷

由纽约大学坦顿工程学院和韩国科学技术研究院 (KAIST) 领导的国际研究团队率先开发出一种新技术来识别和表征六方氮化硼 (hBN) 中的原子级缺陷，六方氮化硼是一种二维 (2D) 材料，因其卓越的性能而经常被称为“白色石墨烯”。

这一进步可能会加速下一代电子和量子技术的发展。

研究团队报告称，他们能够检测到六方氮化硼晶体中单个碳原子取代硼原子的存在。这一发现是通过聆听专门设计的晶体管中的电子“噪音”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，该杂志将这篇研究论文选为2024年10月22日版的封面故事。

“在这个项目中，我们基本上为二维材料创建了一个听诊器，”论文的通讯作者之一 Davood Shahrjerdi 与 Yong-Hoon Kim 说道。“通过分析电流中微小而有节奏的波动，我们可以‘感知’单个原子缺陷的行为。”

Shahrjerdi 是纽约大学坦顿分校电气与计算机工程系副教授、纽约大学无线项目教员，也是 2023 年开放的纽约大学纳米制造洁净室 (NanoFab) 主任。Kim 是韩国科学技术研究院电气工程教授。Shahrjerdi 和 Kim 也是纽约大学-韩国科学技术研究院全球创新与研究学院的附属教员，他们领导着纽约大学-韩国科学技术研究院下一代半导体器件和芯片研究小组的合作。

纽约大学与韩国科学技术研究院的合作伙伴关系于 2022 年 9 月由韩国总统在纽约大学正式启动。这一历史性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发展，目前两所大学共有 200 多名教职员工参与其中。

单晶六方氮化硼已成为科学界的神奇材料，有望改变从非常规电子学到量子技术领域的格局。

hBN 的原子级薄结构和出色的绝缘性能使其成为承载传统材料无法实现的奇异物理现象的理想介质。hBN 中的原子缺陷会降低其电子性能，有时可以以量子技术的方式加以利用。

纽约大学的研究团队使用夹在六方氮化硼层之间的几层薄二硫化钼(另一种二维半导体材料)制造了一个晶体管。通过将该装置冷却至低温并施加精确的电压，他们能够观察到流过晶体管的电流中的离散跳跃。

这些跳跃被称为随机电报信号 (RTS)，当电子被六方氮化硼中的缺陷捕获并释放时，就会发生这种跳跃。通过仔细分析不同温度和电压下的这些信号，该团队能够确定缺陷的能级和空间位置。

“这就像我们开发出了一种可以‘看见’单个原子的显微镜，但我们利用的不是光，而是电，”论文第一作者、纽约大学坦顿分校电子与计算机工程系博士生黄竹君 (Zhujun Huang) 说道。

随后，韩国科学技术研究院团队利用先进的计算机模拟技术，阐明了实验观测结果的原子起源。具体而言，这种实验与理论的结合表明，缺陷是碳原子占据了六方氮化硼晶体结构中硼原子应在的位置。

Sharhrjerdi 和 Kim 解释道： “理解和控制二维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来发现新物理学或单光子发射器用于安全通信。”

这项工作为纽约大学坦顿分校在量子材料和设备技术领域不断扩展的投资组合增添了新内容，符合《芯片和科学法案》的半导体创新目标。先前的研究展示了低无序量子材料的纳米制造原理及其与超导体集成后在设备中的潜力。