Fleksibel halvleder Ge tynd film dyrket på glimmer af van der Waals epitaxy. Filmen oplever ingen nedbrydning i sine elektriske egenskaber, selv efter gentagen bøjning. Kredit:Aaron Littlejohn, Rensselaer Polytechnic Institute
Germanium, en elementær halvleder, var det foretrukne materiale i den tidlige historie med elektroniske enheder, før det stort set blev erstattet af silicium. Men på grund af dets høje ladebærermobilitet - højere end silicium i tredobbelt - gør halvlederen et comeback.
Germanium (Ge) dyrkes generelt på dyre enkeltkrystalunderlag, tilføjer endnu en udfordring til at gøre det bæredygtigt levedygtigt for de fleste applikationer. For at løse dette aspekt, forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute i USA demonstrerer en epitaxy -metode, der inkorporerer van der Waals kræfter til at dyrke Ge on glimmer. Ansøgninger kan omfatte avancerede integrerede kredsløb og højeffektive solceller.
"Dette er første gang stamfrit van der Waals epitaxy af en elementær halvleder er blevet påvist på glimmer, "sagde Aaron Littlejohn, RPI-forsker og medforfatter af papiret, der demonstrerer arbejdet, offentliggjort for nylig i Journal of Applied Physics .
Voksende krystallinske filmlag på krystallinske substrater (kaldet epitaxy) er allestedsnærværende i halvlederfabrikation. Hvis filmen og substratmaterialerne er de samme, så danner de perfekt matchede lag stærke kemiske bindinger for optimal ladningsbærermobilitet.
Lag forskellige materialer effektivt, imidlertid, er en udfordring, fordi krystalgitterne typisk ikke flugter. For at komme uden om dette, forskere anvendte vdW styrker, fænomener, der er baseret på elektroners sandsynlige natur, som ikke er i en fast position omkring en kerne. Hellere, de kan være hvor som helst, og sandsynligheden for, at de bliver ujævnt fordelt, eksisterer næsten hele tiden. Når dette sker, der er en induceret dipol:en let positiv ladning på den ene side og en lille negativ ladning modsat. Dette producerer svagt attraktive vekselvirkninger mellem neutrale atomer.
Forskerne valgte glimmer som substrat til at dyrke Ge -filmen på grund af dens atomisk glatte overflade, som er fri for dinglende bindinger (uparede valenselektroner). Dette sikrede, at der ikke ville finde nogen kemisk binding sted under vdW epitaxy -processen.
I stedet, materialernes grænseflade holdes sammen via svage vdW -kræfter. Dette muliggør vækst af en afslappet film på trods af de dramatisk forskellige krystalstrukturer i de to materialer, der har en forskel på 23 procent i atomafstand. Ud over at lindre begrænsningerne ved gittermatchning, vdW epitaxy gør det muligt for Ge -filmen at blive eksfolieret mekanisk fra glimmeroverfladen og stå alene som en substratløs film.
"Vores Ge-film kunne bruges som en tyndfilm nanomembran, som lettere kunne integreres i elektroniske enheder end nanokrystaller eller nanotråde, "Littlejohn sagde." Det kunne også tjene som substrat for den efterfølgende aflejring af yderligere materialer til fleksible transistorer og solceller, eller endda bærbar optoelektronik. "
Geraniumfilm, der var omkring 80 nanometer tykke, blev dyrket på millimeterskala muscovitglimmerunderlag, 26 mm tykke. Ved at variere substrattemperaturen under aflejring og udglødning i området 300-500 grader Celsius, forskerne fandt ud af, at krystalgitteret stabiliseres ved omkring 425 grader Celsius.
"Tidligere forskning indebærer, at elementære halvledere ikke kan epitaksialt dyrkes på glimmer ved hjælp af vdW -kræfter ved enhver forhøjet temperatur, men vi har nu vist andet "Littlejohn sagde." Med succesen med vores Ge -film vokset på glimmer ved en praktisk temperatur, vi forventer, at andre ikke -lagrede elementære eller legerede materialer kan dyrkes på glimmer via vdW epitaxy. "