Vuonna 2004 oksidien nanokerroksissa havaitun kaksiulotteisen 2DEG-elektronikaasun demonstraatio osoitti mahdollisuuden rajoittaa sähkövirtaa pienempiin tiloihin ja siten elektronisten komponenttien pienentämisen yhä pienempiin mittoihin. Negatiivisesti varautuneella elektronilla on kuitenkin vastapuoli - positiivisesti varautunut "aukko", joka jää jäljelle, kun elektroni poistuu atomin kiertoradalta.
Tämän takia fyysikot pyrkivät luomaan ja tarkkailemaan 2D-aukkokaasua (2DHG), joka myös toimii sähkövirran lähteenä. Kuten Nature Materials -lehdessä on kuvattu, Wisconsin-Madisonin ja Nebraska-Lincolnin yliopistoissa toimineet tutkijat ovat nyt todistaneet aukkokaasun olemassaolon.
Wisconsin-Madisonin materiaalitutkija Chang-Beom Eomin johtama tiimi on havainnut tämän puuttuvan osan yhdessä elektronikaasun kanssa. Löytöä on kaivattu erityisesti viemään oksidielektroniikan materiaaleja eteenpäin.
Demonstraation toteuttamiseen Eomin ryhmä suunnitteli erityisen kerrostetun ohutkalvorakenteen. - Aiemmin 2D-aukkokaasua ei voitu tehdä lähinnä siksi, ettei riittävän täydellisiä kiteitä ei saatu aikaiseksi. Niissä oli vikoja, jotka tappoivat aukkokaasun, toteaa Eom.
Materiaalikasvatuksen asiantuntijana Eom kasvatti jokaisen materiaalikerroksen atomien tarkkuudella. Kun tämä yhdistettiin rakenteen kerrosten väliseen vuorovaikutukseen, saatiin aikaan oikea rakenne ja lähes täydellisiä kiteitä. Nebraskan yliopiston tutkijat suorittivat laskelmia ja mallintamista, jotka auttoivat kollegoita tarkkailemaan aukkokaasua.
Aukkokaasun tunnistamisessa tärkeä merkitys oli melkein symmetrinen tapa, jolla Eom kokosi eri kerrokset. Hän suunnitteli kolminkertaisen kerroksen. Aluksi vuoroteltiin strontiumoksidin ja titaanidioksidin kerroksia pohjaan, sitten lantaanioksidikerrosten ja alumiinioksidin kerrokset, minkä jälkeen lisättiin strontiumoksidin ja titaanidioksidin kerroksia päällimmäiseksi.
Tämän seurauksena aukkokaasu muodostuu ylempien kerrosten rajapinnassa, kun taas elektronikaasua muodostaa alareunassa olevien kerrosten rajapinnalla - ensimmäinen vahvan komplementaarisen parin demonstraatio.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 15.3.2018
