Nieuwe meetmethode onthult verborgen defecten in getwiste halfgeleiderlaagjes

Wetenschappers van het Japanse onderzoeksinstituut NIMS hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de kwaliteit van extreem dunne halfgeleidermaterialen te meten. De techniek maakt gebruik van licht dat het materiaal zelf uitzendt, en kan verborgen gebreken blootleggen die eerder moeilijk te ontdekken waren. Dat melden de onderzoekers in het vakblad Physical Review Research.

Het gaat om zogeheten moiré-heterostructuren: twee laagjes halfgeleidermateriaal, elk maar één of enkele atomen dik, die op elkaar worden gestapeld met een klein verschil in hoek. Denk aan twee vitrages die een beetje scheef over elkaar hangen, waardoor er een nieuw, herhalend streeppatroon ontstaat. In het geval van de onderzoekers ging het om molybdeendiselenide en wolfraamdiselenide, twee materialen die vaak worden genoemd als kandidaten voor toekomstige lichtgevende chips, sensoren en kwantumtechnologie.

Een wirwar van lichtpieken

Wanneer je zulke gestapelde laagjes met licht beschijnt, zenden ze zelf ook licht uit: fotoluminescentie. Normaal gesproken kijken natuurkundigen naar de afzonderlijke pieken in dat uitgezonden licht om te begrijpen wat er in het materiaal gebeurt. Bij moiré-heterostructuren werkt dat niet goed, omdat er op elk punt van het materiaal tientallen pieken over elkaar heen liggen. Die pieken ontstaan onder andere door excitonen: gekoppelde elektrische ladingen die licht vasthouden en weer uitzenden. Welke piek bij welk proces hoort, was tot nu toe nauwelijks te ontrafelen.

Onderzoeker Katsunori Wakabayashi van NIMS koos een andere invalshoek. In plaats van elke piek apart te analyseren, keek hij naar simpele kenmerken van het hele lichtspectrum - zoals de energie van de sterkste piek en de gemiddelde energie - en hoe die kenmerken veranderen als je over het oppervlak van het materiaal beweegt. Door die ruimtelijke patronen wiskundig te vergelijken, kon hij alsnog conclusies trekken over wat er in het materiaal aan de hand is, zonder de pieken zelf te moeten ontcijferen.

Twee soorten wanorde

Die aanpak leverde een opvallend resultaat op: het materiaal bevat twee totaal verschillende soorten onvolkomenheden, die elkaar overlappen. De eerste is een grove, geleidelijke variatie die zich uitstrekt over afstanden van een paar micrometer - ongeveer de dikte van een spinnendraad. De tweede soort is veel kleinschaliger en ontstaat waarschijnlijk door minuscule kristalfouten of plekken waar excitonen letterlijk vast komen te zitten, zogeheten excitonvallen. Beide vormen van wanorde beïnvloeden hoe het materiaal licht opneemt en weer afgeeft, maar ze doen dat op een andere schaal en waarschijnlijk via een ander mechanisme.

Belang voor materiaalonderzoek

Het belang van deze bevinding zit vooral in de toepassing: met deze methode kunnen onderzoekers de kwaliteit van een van der Waals-materiaal beoordelen puur op basis van hoe het licht uitzendt, zonder ingewikkelde pieken te moeten decoderen. Dat is relevant voor iedereen die met dit soort materiaalkarakterisering werkt, van chipontwerpers tot bouwers van optische sensoren. "Dit werk kan onderzoekers helpen betere en beter reproduceerbare materialen te maken voor lichtgevende apparaten, optische sensoren en kwantumtechnologie", zegt Wakabayashi zelf over zijn bevindingen.

Het onderzoek is vooralsnog theoretisch van aard en gebaseerd op het opnieuw analyseren van eerder gepubliceerde metingen aan molybdeendiselenide-wolfraamdiselenide-stapels. Of de methode net zo goed werkt bij andere materiaalcombinaties en op grotere schaal, moet toekomstig onderzoek uitwijzen.