Nye muligheder for halvlederenheder ved hjælp af sort fosfor

Stress og belastning, anvendt på den helt rigtige måde, kan nogle gange give fantastiske resultater.

Det er hvad forskere, ledet af et team ved UC Berkeley's Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, opdaget om et fremvoksende halvledermateriale - sort fosfor (BP) - brugt til at lave to typer optoelektroniske enheder:lysdioder (LED'er) og fotodetektorer.

Under mekanisk belastning, BP kan induceres til at udsende eller detektere infrarødt (IR) lys i en række ønskede bølgelængder - 2,3 til 5,5 mikrometer, som spænder over kort- til mellembølge IR - og at gøre det reversibelt ved stuetemperatur, ifølge undersøgelsesforfatterne Ali Javey, Lam Research Distinguished Chair i Semiconductor Processing og professor i elektroteknik, og postdoc Hyungjin Kim. Javey er også seniorforsker på fakultetet ved Lawrence Berkeley National Laboratory.

Deres resultater er vigtige ikke kun for evnen til at nå disse bølgelængder, Javey og Kim sagde:men at gøre det afstemt og i én enhed. Nuværende teknologi vil kræve flere omfangsrige enheder og forskellige halvledermaterialer for at opnå lignende resultater.

De beskrev deres resultater i Natur .

Javey og Kim sagde, at evnen til at bruge en bredere vifte af IR-spektret, kan indstilles på én enhed, kunne hjælpe med at imødekomme den stigende efterspørgsel efter applikationer inden for optisk kommunikation, termisk billeddannelse, sundhedsovervågning, spektroskopi, kemisk sensing og mere. For at demonstrere denne fleksibilitet, forskerne brugte en af ​​deres nye enheder til at detektere flere gasser.

Det Berkeley-ledede hold fandt ud af, at brug af tynde lag af BP i optoelektroniske enheder og udsættelse af dem for forskellige grader af belastning resulterer i reversibelt afstembare output-bølgelængder over et uventet stort område. Udgangsbølgelængden af ​​BP og andre halvledermaterialer er en egenskab kendt som bandgap.

Det spektrale område, som en optoelektronisk enhed kan fungere over, bestemmes i høj grad af båndgabet af dets halvledermateriale. Forskellige tilgange kan bruges til at opnå den ønskede driftsbølgelængde for en given applikation. For eksempel, legeringer - materialer med varierende sammensætning - og belastning kan bruges til at justere båndgabet. Selvom disse tilgange faktisk er effektive, de resulterer i enheder med faste driftsbølgelængder.

"I vores arbejde vi kan aktivt ændre båndgabet af det sorte fosfor, således at en enkelt fotodetektor eller LED kan ændre dens driftsbølgelængder inden for, rundt regnet, rækkevidden på to til fem mikrometer, " sagde Kim.

"Vi kan gå frem og tilbage så mange gange, vi vil, " Kim sagde om de reversibelt indstillelige bølgelængder af BP-baserede enheder. De udnytter BP's "magiske" egenskaber, han sagde, specifikt, dens båndgab ændring under pres, hvilket er meget større end dem, der observeres med konventionelle halvledermaterialer.

"Der er innovation i selve enheden, " sagde Javey, "men det materiale, vi bruger, sort fosfor, har også iboende unikke egenskaber [båndgab og følsomhed over for belastning], og vi kombinerer disse to nøglekarakteristika."

Sort fosfor er et todimensionelt materiale som grafen. I en proces kaldet eksfoliering, forskere bruger scotch tape til at løfte nanometertynde lag af materialet, som derefter overføres til et fleksibelt polymersubstrat, i dette tilfælde polyethylenterephthalatglycol (PETG).

"Fordi det er mekanisk fleksibelt, vi kan bøje det til en ønsket radius og kontrolleret belaste BP, " sagde Kim. Det vil sige, bøjning bliver en effektiv knap til at modulere BP-båndgabet.

Ja, på grund af dens rynkede gitterstruktur, Kim sagde, BP viser unikke stammeafhængige egenskaber, som, ud over bandgap, omfatter tunbar van der Waals interaktion og piezoelektricitet. Strain kan påføres BP på en reversibel måde på grund af dens tynde membran natur, han sagde.

I én ansøgning, forskerne brugte en teknik kaldet ikke-dispersiv IR-gassensing. Fordi hver gas har sit eget absorptionsbånd - dvs. mængden af ​​lys, den absorberer ved en bestemt bølgelængde - en justerbar IR-LED med tilstrækkeligt udgangsbølgelængdeområde kunne detektere, for eksempel, kuldioxid udstødt ved menneskelig vejrtrækning. Det er fordi gassen absorberer lys på omkring 4,3 mikrometer, inden for enhedens område på 2,3 til 5,5 mikrometer. Andre gasser, der kan detekteres med justerbare BP-LED'er, omfatter metan og vand.

En applikation til BP-fotodetektorer kunne være termisk billeddannelse. Det kunne bruges, for eksempel, i nattesynsbriller for at detektere enhver eksoterm varmekilde som menneskekroppe. Sådanne afstembare fotodetektorer ville være i stand til selektiv termisk billeddannelse over en række IR-bølgelængder.

Fra et materialesynspunkt, der er stor interesse for at identificere nye halvledere, der er mere effektive i dette bølgelængdeområde, sagde Javey. "Det var da, vi begyndte at se på sort fosfor, fordi det allerede var kendt for at have et båndgab, der overlapper med mellembølgelængden IR. Derfra så vi på, hvordan vi kan bygge effektive enheder som LED'er og fotodetektorer ved hjælp af dette materiale. Men hvad er nyt her er tunability - at du aktivt kan tune enheden med belastning over et stort bølgelængdeområde."

Bevæger sig fremad, Javey sagde, "Jeg tror, ​​at dette enhedskoncept kan anvendes til andre dele af spektret, måske endda lave enheder, der kunne fungere i det synlige regime. Det kunne muliggøre nye typer skærme, for eksempel, hvis disse koncepter og materialer kan inkorporeres i en fremstiller, skalerbar måde, med miniaturiserede elektromekaniske enheder."