Tyndt lag germanium kan erstatte silicium i halvledere

(Phys.org) — Det samme materiale, som dannede de første primitive transistorer for mere end 60 år siden, kan modificeres på en ny måde for at fremme fremtidens elektronik, ifølge en ny undersøgelse.

Kemikere ved Ohio State University har udviklet teknologien til fremstilling af et atom-tykt ark germanium, og fandt ud af, at det leder elektroner mere end ti gange hurtigere end silicium og fem gange hurtigere end konventionelt germanium.

Materialets struktur er tæt forbundet med grafen - et meget omtalt todimensionelt materiale, der består af enkeltlag af kulstofatomer. Som sådan, grafen viser unikke egenskaber sammenlignet med dets mere almindelige flerlagede modstykke, grafit. Grafen er endnu ikke blevet brugt kommercielt, men eksperter har foreslået, at det en dag kunne danne hurtigere computerchips, og måske endda fungere som en superleder, så mange laboratorier arbejder på at udvikle det.

Joshua Goldberger, assisterende professor i kemi ved Ohio State, besluttede at tage en anden retning og fokusere på mere traditionelle materialer.

"De fleste mennesker tænker på grafen som fremtidens elektroniske materiale, " sagde Goldberger. "Men silicium og germanium er stadig nutidens materialer. Der er brugt 60 års hjernekraft til at udvikle teknikker til at lave chips ud af dem. Så vi har ledt efter unikke former for silicium og germanium med fordelagtige egenskaber, at få fordelene ved et nyt materiale, men med færre omkostninger og ved at bruge eksisterende teknologi."

I et papir offentliggjort online i tidsskriftet ACS Nano , han og hans kolleger beskriver, hvordan de var i stand til at skabe en stald, enkelt lag af germanium atomer. I denne form, det krystallinske materiale kaldes germanan.

Forskere har forsøgt at skabe germanane før. Det er første gang det er lykkedes nogen at dyrke tilstrækkelige mængder af det til at måle materialets egenskaber i detaljer, og demonstrere, at den er stabil, når den udsættes for luft og vand.

I naturen, germanium har en tendens til at danne flerlagede krystaller, hvor hvert atomlag er bundet sammen; enkeltatomlaget er normalt ustabilt. For at komme uden om dette problem, Goldbergers team skabte flerlagede germaniumkrystaller med calciumatomer kilet ind mellem lagene. Så opløste de kalken med vand, og tilstoppede de tomme kemiske bindinger, der blev efterladt, med brint. Resultatet:de var i stand til at skrælle individuelle lag germanane af.

Besat med brintatomer, germanane er endnu mere kemisk stabilt end traditionelt silicium. Det vil ikke oxidere i luft og vand, som silicium gør. Det gør germanane let at arbejde med ved hjælp af konventionelle chipfremstillingsteknikker.

Den primære ting, der gør germanane ønskværdig for optoelektronik, er, at den har, hvad forskerne kalder et "direkte båndgab, " hvilket betyder, at lys let absorberes eller udsendes. Materialer som konventionelt silicium og germanium har indirekte båndgab, hvilket betyder, at det er meget sværere for materialet at absorbere eller udsende lys.

"Når du forsøger at bruge et materiale med et indirekte båndgab på en solcelle, du skal gøre den ret tyk, hvis du vil have nok energi til at passere gennem den for at være nyttig. Et materiale med et direkte båndgab kan udføre det samme arbejde med et stykke materiale, der er 100 gange tyndere, " sagde Goldberger.

De første transistorer nogensinde blev fremstillet af germanium i slutningen af ​​1940'erne, og de var omtrent på størrelse med et miniaturebillede. Selvom transistorer er blevet mikroskopiske siden da - med millioner af dem pakket ind i hver computerchip - har germanium stadig potentiale til at fremme elektronik, viste undersøgelsen.

Ifølge forskernes beregninger elektroner kan bevæge sig gennem germanane ti gange hurtigere gennem silicium, og fem gange hurtigere end gennem konventionel germanium. Hastighedsmålingen kaldes elektronmobilitet.

Med sin høje mobilitet, germanane kunne således bære den øgede belastning i fremtidige højtydende computerchips.

"Mobilitet er vigtigt, fordi hurtigere computerchips kun kan laves med hurtigere mobilitetsmaterialer, " sagde Golberger. "Når du krymper transistorer ned til små skalaer, du skal bruge materialer med højere mobilitet, ellers vil transistorerne bare ikke fungere, " forklarede Goldberger.

Næste, holdet skal undersøge, hvordan man kan justere egenskaberne af germanan ved at ændre konfigurationen af ​​atomerne i det enkelte lag.