En ny teknik til fremstilling af 2D-transistorer fra tofasede TMD-krystaller

Molybdæn ditellurid (MoTe ₂ ) er en krystallinsk forbindelse, der, hvis det er rent nok, kan bruges som transistor. Dens molekylære struktur er en atomær sandwich, der består af et molybdænatom for hver to telluratomer. Det blev først lavet i 1960'erne via flere forskellige fremstillingsmetoder, men indtil sidste år, det var aldrig blevet lavet i en ren nok form til at være egnet til elektronik.

Sidste år, et tværfagligt koreansk forskerhold udtænkte en fremstillingsmetode til at skabe ren MoTe ₂ . Ikke alene lykkedes det dem at lave MoTe ₂ i ren form, de var i stand til at lave to typer af det - en halvledende variant kaldet 2H-MoTe ₂ (2H på grund af dens sekskantede form) og en metallisk variant kaldet 1T'-MoTe ₂ (1T 'fordi den har en oktaedrisk form) - som begge er stabile ved stuetemperatur.

At lave MoTe ₂ i en ren form var meget vanskelig, og det blev af nogle set som et sort får af overgangsmetal dichalcogenides (TMD) familien og målrettet ignoreret. TMD'er er molekyler, der kan gøres ekstremt tynde, kun flere atomlag, og har en elektrisk egenskab kaldet et båndgab, hvilket gør dem ideelle til fremstilling af elektriske komponenter, især transistorer.

En TMD-krystal følger et MX2-format:der er ét overgangsmetal, repræsenteret af M (M kan være wolfram, Molybdæn, osv.) og to chalcogenider, X2 (Svovl, Selen, eller Tellur). Disse atomer danner en tynd molekylær sandwich med det ene metal og to chalcogenider, og afhængigt af deres fremstillingsmetode, kan eksistere i flere forskelligt formede atomarrangementer.

Det overvældende flertal af nuværende mikrochips er lavet af silicium, og de fungerer rigtig godt. Imidlertid, som enheder bliver mindre, der er en stigende efterspørgsel efter at formindske størrelsen af ​​de logiske chips, der får disse enheder til at fungere. Når chipsene nærmer sig enkelt- eller flere atomtykkelser, (almindeligvis omtalt som todimensional), silicium fungerer ikke længere så godt, som det gør i en større 3D-skala. Når skalaen nærmer sig to dimensioner (2D), båndgabet af siliciumændringer (højere båndgab end dets 3D-form) og kontaktpunkterne med metalforbindelser på silicium er ikke længere glatte nok til at blive brugt effektivt i elektriske kredsløb.

Dette er den perfekte mulighed for at ansætte nye, eksotiske TMD materialer. IBS-forskerholdet var i stand til at udnytte de to versioner af MoTe ₂ og lav en 2D-krystal, der var sammensat af den halvledende 2H-MoTe ₂ og den metalliske 1T'-MoTe ₂ . Denne konfiguration er bedre end at bruge silicium eller andre 2D -halvledere, fordi grænsen hvor halvledende (2H) og metallisk (1T ') MoTe ₂ mødes har det, der kaldes am ohmsk homojunction. Dette er en forbindelse, der dannes på grænsen mellem to forskellige strukturelle faser i et enkelt materiale. På trods af én MoTe ₂ staten er en halvleder og en er metallisk, holdet var i stand til at skabe en ohmsk homojunction mellem dem, skabe en yderst effektiv forbindelse.

At gøre dette, holdet startede med et stykke af deres rene 2H-MoTe ₂ som var flere atomer tyk. De rettede en 1 µm bred laser (et menneskehår er 17 til 181 µm) mod 2H-MoTe ₂ som lokalt opvarmede prøven og ændrede det berørte område til 1T'-MoTe ₂ . Med denne metode, holdet var i stand til at skabe en 2D-transistor, der udnyttede en sammenlægning af begge de halvledende egenskaber af 2H-MoTe ₂ materiale samt den høje ledningsevne af 1T'-MoTe ₂ .

Dette er en smart løsning på adskillige problemer, som tidligere har hindret forskere og ingeniører. Ved kun at bruge ét materiale i enhedskanalen og metal-halvlederforbindelsen, det er mere energieffektivt, da leddene mellem de to faser af MoTe ₂ er sømløst smeltet og realiserer en ohmsk kontakt ved leddene. Fordi 1T'-MoTe ₂ er sådan en god dirigent, metalelektroder kan påføres direkte på det, sparer yderligere arbejde med at finde en måde at fastgøre metalledninger på. Denne nye fremstillingsteknik er en hypereffektiv måde at udnytte den tilgængelige MoTe på ₂ uden spildte eller uvedkommende dele.

På spørgsmålet om dets potentiale til fremtidig brug, Professor Heejun Yang fra SKKU sagde, "Der er mange kandidater til 2D -halvledere, men MoTe ₂ har et båndgab på omkring 1 eV, hvilket svarer til siliciums båndgab, og det tillader en ohmsk homojunction ved halvleder-metal-forbindelserne."  Dette betyder, at MoTe ₂ kan erstatte silicium uden større ændringer i de nuværende spændingskonfigurationer, der bruges med nutidens siliciumteknologier. Den tofasede MoTe ₂ transistor ser lovende ud til brug i nye elektroniske enheder, da efterspørgslen efter komponenter stiger til materialer, der er små, let og ekstremt energieffektiv.