Ny teknik kan åbne op for en æra med atomlederhalvlederanordninger

(Phys.org) —Forskere ved North Carolina State University har udviklet en ny teknik til at skabe tyndfilm af halvleder af høj kvalitet i atomskala-hvilket betyder, at filmene kun er et atom tykke. Teknikken kan bruges til at lave disse tynde film i stor skala, tilstrækkelig til at dække skiver, der er to tommer brede, eller større.

"Dette kunne bruges til at skalere nuværende halvlederteknologier ned til atomskalaen - lasere, lysdioder (lysdioder), computerchips, hvad som helst, "siger Dr. Linyou Cao, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved NC State og seniorforfatter af et papir om værket. "Folk har talt om dette koncept i lang tid, men det var ikke muligt. Med denne opdagelse, Jeg tror, ​​det er muligt. "

Forskerne arbejdede med molybdensulfid (MoS2), et billigt halvledermateriale med elektroniske og optiske egenskaber, der ligner materialer, der allerede er brugt i halvlederindustrien. Imidlertid, MoS2 adskiller sig fra andre halvledermaterialer, fordi det kan "dyrkes" i lag kun et atom tykt uden at gå på kompromis med dets egenskaber.

I den nye teknik, forskere placerer svovl- og molybdænchloridpulver i en ovn og gradvist hæver temperaturen til 850 grader Celsius, som fordamper pulveret. De to stoffer reagerer ved høje temperaturer for at danne MoS2. Mens den stadig er under høje temperaturer, dampen afsættes derefter i et tyndt lag på substratet.

"Nøglen til vores succes er udviklingen af ​​en ny vækstmekanisme, en selvbegrænsende vækst, "Siger Cao. Forskerne kan præcist kontrollere tykkelsen af ​​MoS2 -laget ved at kontrollere det delvise tryk og damptryk i ovnen. Partielt tryk er tendensen til atomer eller molekyler, der er suspenderet i luften, til at kondensere til et fast stof og bundfælde sig på substratet Damptryk er en tendens til, at faste atomer eller molekyler på substratet fordamper og stiger op i luften.

For at oprette et enkelt lag MoS2 på underlaget, det delvise tryk skal være højere end damptrykket. Jo højere partialtryk, de flere lag af MoS2 vil falde til bunden. Hvis det delvise tryk er højere end damptrykket af et enkelt lag af atomer på substratet, men ikke højere end damptrykket i to lag, balancen mellem det partielle tryk og damptrykket kan sikre, at tyndfilmsvæksten automatisk stopper, når monolaget er dannet. Cao kalder denne "selvbegrænsende" vækst.

Partielt tryk styres ved at justere mængden af ​​molybdænchlorid i ovnen - jo mere molybdæn er der i ovnen, jo højere er partialtrykket.

"Ved hjælp af denne teknik, vi kan oprette tyndfilm i MoS2-monolag i wafer-skala, et atom tykt, hver gang, "Siger Cao." Vi kan også producere lag, der er to, tre eller fire atomer tykke. "

Caos team forsøger nu at finde måder at skabe lignende tynde film, hvor hvert atomlag er lavet af et andet materiale. Cao arbejder også på at skabe felt-effekt-transistorer og lysdioder ved hjælp af teknikken. Cao har indgivet patent på den nye teknik.

Papiret, "Kontrolleret skalerbar syntese af uniform, Højkvalitets monolag og få lag MoS2-film, "blev offentliggjort den 21. maj i Videnskabelige rapporter , et tidsskrift for Nature Publishing Group.