To-dimensionel halvleder bliver ren

I 2013, James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik ved Columbia Engineering, og kolleger ved Columbia demonstrerede, at de dramatisk kunne forbedre ydeevnen af ​​grafen - stærkt ledende todimensionelt (2D) kulstof - ved at indkapsle det i bornitrid (BN), et isolerende materiale med en lignende lagdelt struktur.

I arbejde offentliggjort i denne uge i Advance Online Publication på Natur nanoteknologi 's hjemmeside, forskere ved Columbia Engineering, Harvard, Cornell, University of Minnesota, Yonsei University i Korea, Danmarks Tekniske Universitet, og det japanske nationale institut for materialevidenskab har vist, at ydeevnen af ​​et andet 2D-materiale - molybdændisulfid (MoS) ₂ ) —Kan forbedres på samme måde ved hjælp af BN-indkapsling.

"Disse resultater giver en demonstration af, hvordan man studerer alt 2D-materiale, " siger Hone, leder af denne nye undersøgelse og direktør for Columbias NSF-finansierede Materials Research Science and Engineering Center. "Vores kombination af BN- og grafenelektroder er som en 'sokkel', hvori vi kan placere mange andre materialer og studere dem i et ekstremt rent miljø for at forstå deres sande egenskaber og potentiale. Dette lover meget for en bred vifte af applikationer, herunder høje - ydeevne elektronik, påvisning og emission af lys, og kemisk/bio-sensing."

Todimensionelle (2D) materialer skabt ved at "skrælle" atomisk tynde lag fra bulkkrystaller er ekstremt strækbare, optisk gennemsigtig, og kan kombineres med hinanden og med konventionel elektronik på helt nye måder. Men disse materialer - hvori alle atomer er på overfladen - er i sagens natur ekstremt følsomme over for deres miljø, og deres ydeevne falder ofte langt under teoretiske grænser på grund af forurening og indespærrede ladninger i omgivende isolerende lag. Den BN-indkapslede grafen, som Hones gruppe producerede sidste år, har 50x forbedret elektronisk mobilitet - et vigtigt mål for elektronisk ydeevne - og lavere lidelse, der muliggør studiet af rige nye fænomener ved lav temperatur og høje magnetiske felter.

"Vi ville se, hvad vi kunne gøre med MoS ₂ -det er den bedst studerede 2D halvleder, og, i modsætning til grafen, den kan danne en transistor, der kan slukkes helt, en egenskab, der er afgørende for digitale kredsløb, " bemærker Gwan-Hyoung Lee, co-lead forfatter på papiret og assisterende professor i materialevidenskab på Yonsei. I fortiden, MoS2-enheder fremstillet på almindelige isolerende substrater såsom siliciumdioxid har vist mobilitet, der falder under teoretiske forudsigelser, varierer fra prøve til prøve, og forbliver lav ved afkøling til lave temperaturer, alle tegn på et uordentligt materiale. Forskere har ikke vidst, om lidelsen skyldtes substratet, som i tilfældet med grafen, eller på grund af ufuldkommenheder i selve materialet.

I det nye værk, Hones team skabte heterostrukturer, eller lagdelte stakke, af MoS ₂ indkapslet i BN, med små flager af grafen, der overlapper kanten af ​​MoS ₂ at fungere som elektriske kontakter. De fandt ud af, at mobiliteten ved stuetemperatur blev forbedret med en faktor på omkring 2, nærmer sig den indre grænse. Ved afkøling til lav temperatur, mobiliteten steg dramatisk, når værdier 5-50×, som de tidligere målte (afhængigt af antallet af atomlag). Som et yderligere tegn på lav lidelse, disse højmobilitetsprøver viste også stærke svingninger i modstand med magnetfelt, som ikke tidligere var set i nogen 2D-halvleder.

"Denne nye enhedsstruktur gør det muligt for os at studere kvantetransportadfærd i dette materiale for første gang ved lav temperatur, " tilføjede Columbia Engineering PhD-studerende Xu Cui, avisens første forfatter.

Ved at analysere lavtemperaturmodstanden og kvanteoscillationerne, holdet var i stand til at konkludere, at hovedkilden til uorden fortsat er kontaminering ved grænsefladerne, indikerer, at yderligere forbedringer er mulige.

"Dette arbejde motiverer os til yderligere at forbedre vores enhedsmonteringsteknikker, da vi endnu ikke har nået den iboende grænse for dette materiale, " siger Hone. "Med yderligere fremskridt, vi håber at etablere 2D-halvledere som en ny familie af elektroniske materialer, der konkurrerer med ydelsen af ​​konventionelle halvleder-heterostrukturer - men er skabt ved hjælp af scotch-tape på en laboratoriebænk i stedet for dyre højvakuumsystemer."