科学家发现在量子材料内部形成世界上最薄的半导体结之一

以下内容来自Phys.org，原文标题Scientists discover one of the world's thinnest semiconductor junctions forming inside a quantum material，论文DOI: 10.1039/D4NR04812A。

Mn(Bi 1−x Sb x ) 6 Te 10 (x = 0.18)的平衡能带结构。(a) MBT 和1-BT终端上沿 Γ–M 方向的能带结构。(b) 5 K 下 18% Sb 掺杂 MnBi 6 Te 10的霍尔测量结果显示，载流子密度约为 6.5 × 10 18 cm −3，接近电荷中性点。(c) MnBi 6 Te 10中不同解理终端的示意图及其能带结构草图。

图片来源：Nanoscale (2025)。DOI：10.1039/D4NR04812A

研究一种有前景的量子材料的科学家们意外发现了一个惊喜：在其晶体结构中，该材料自然形成了世界上最薄的半导体结之一，而半导体结是现代电子设备的基本构件。这个结的厚度仅为3.3纳米，大约是一张纸厚度的2.5万倍。

助理教授Shuolong Yang说“这真是一个巨大的惊喜。我们并没有打算制造这种结，但材料自己形成了，而且这是我们见过的最薄的结之一。”

这一发现为构建超微型电子元件提供了可能，同时也为了解电子在量子应用材料中的行为提供了见解。

研究以《电荷中性磁性拓扑绝缘体中单位晶胞内电荷重分布的光谱学证据》为题发表在《纳米尺度》杂志上。

电子分布不均

芝加哥大学普利茨克分子工程学院（UChicago PME）和宾夕法尼亚州立大学的研究人员正在研究MnBi₆Te₁₀的电子特性。MnBi₆Te₁₀是一种拓扑物质，以其独特的性质而闻名，例如它能让电流在其边缘自由流动且毫无电阻。科学家们希望这类拓扑材料未来能用于量子计算机或超高效电子设备。

然而，像MnBi₆Te₁₀这样的材料要正常工作，需要精确平衡和分布电子。研究团队通过调整材料的化学成分并向MnBi₆Te₁₀中掺入锑，认为已经达到了正确的平衡。常规的电学测试也证实了该材料整体上是中性的。

然而，当Yang的团队使用一种名为时间分辨和角分辨光电子能谱（trARPES）的技术进行更深入研究时，他们看到了意想不到的现象。这种技术利用超快激光脉冲实时观察电子的分布以及其能级的变化。科学家们发现，在晶体的每个重复层中——这些层仅由几个原子组成——电子的分布并不均匀。相反，电子在某些部分聚集，而在其他部分则较少。这在材料内部形成了微小的内建电场。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员

图片来源：John Zich

这项新研究的第一作者、芝加哥大学普利茨克分子工程学院的研究生Khanh Duy Nguyen说“在理想的量子材料中，你希望电荷分布非常均匀。看到这种不均匀的分布表明，我们可能无法按照最初计划的方式实现量子应用，但它揭示了另一种非常有用的现象。”

这些微小区域表现得像p-n结，这是一种含有内建电场的半导体结，用于制造二极管——类似于手机和电脑等日常电子产品中使用的二极管。但与人工制造的p-n结不同，这些结是作为晶体本身的一部分自然形成的。

为量子和电子应用带来福音

由于这种新发现的自然形成的p-n结对光非常敏感，因此它可能对下一代电子设备非常有用，包括自旋电子学——这是一种利用电子的磁性自旋而非电荷来存储和操纵数据的技术。

通过模拟MnBi₆Te₁₀晶体结构中发生的现象，Nguyen、Yang及其同事们提出了关于其形成p-n结的假设。他们推测，向MnBi₆Te₁₀中引入锑会导致锰原子与锑原子之间的置换，从而在整个材料中产生电荷差异。

尽管这一发现增加了将该材料用于某些量子效应的复杂性，但它为电子应用开辟了新的可能性。它也为进一步改造MnBi₆Te₁₀以使其保持均匀分布的电子铺平了道路——从而使其在量子工程中具有实用性。

芝加哥大学普利茨克分子工程学院的团队正在完善制造该材料薄膜的方法，而不是制造大型三维晶体。这可能使他们能够更精确地控制电子的行为，无论是增强量子特性，还是提高微小p-n结的产量。

“这再次证明了开展基础科学研究并对其结果保持开放态度的价值。”Yang说，“我们带着一个目标出发，却意外发现了一个惊喜，这将我们引向了一个令人兴奋的新方向。”

来源：

https://phys.org/news/2025-05-scientists-world-thinnest-semiconductor-junctions.html