Forskere producerer den første 2D-felteffekttransistor lavet af et enkelt materiale

Det moderne liv ville være næsten utænkeligt uden transistorer. De er de allestedsnærværende byggesten i alle elektroniske enheder, og hver computerchip indeholder milliarder af dem. Imidlertid, efterhånden som chipsene bliver mere og mere små, de nuværende 3-D feltelektroniske transistorer (FET'er) er ved at nå deres effektivitetsgrænse. Et forskerhold ved Institut for Grundvidenskab (IBS) har udviklet det første 2-D elektroniske kredsløb (FET) lavet af et enkelt materiale. Udgivet i Natur nanoteknologi , denne undersøgelse viser en ny metode til at fremstille metalliske og halvledende polymorfer af det samme materiale for at fremstille 2-D FET'er.

Enkelt sagt, FET'er kan opfattes som højhastighedsafbrydere, sammensat af to metalelektroder og en halvledende kanal imellem. Elektroner (eller huller) bevæger sig fra kildeelektroden til drænelektroden, strømmer gennem kanalen. Mens 3-D FET'er er blevet skaleret ned til nanoskala dimensioner med succes, deres fysiske begrænsninger begynder at dukke op. Korte halvlederkanallængder fører til et fald i ydeevnen - nogle elektroner er i stand til at flyde mellem elektroderne, selv når de ikke burde, forårsager varme- og effektivitetsreduktion. For at overvinde denne ydeevneforringelse, transistorkanaler skal laves med tynde materialer i nanometerskala. Imidlertid, selv tynde 3D-materialer er ikke gode nok, som uparrede elektroner, en del af de såkaldte "dinglende bindinger" ved overfladen forstyrrer de strømmende elektroner, fører til spredning.

Brug af 2-D FET'er frem for 3D-FET'er kan overvinde disse problemer og tilbyder nye, attraktive ejendomme. "FET'er lavet af 2-D halvledere er fri for kortkanaleffekter, fordi alle elektroner er indespærret i naturligt atomisk tynde kanaler, fri for hængende bindinger på overfladen, " forklarer Ji Ho Sung, første forfatter til undersøgelsen. I øvrigt, en enkelt- og få-lags form af lagdelte 2-D-materialer har en bred vifte af elektriske og afstembare optiske egenskaber, atomskala tykkelse, mekanisk fleksibilitet og store båndgab (1~2 eV).

Det største problem for 2-D FET-transistorer er eksistensen af ​​en stor kontaktmodstand ved grænsefladen mellem 2-D-halvlederen og ethvert bulkmetal. For at løse dette, holdet udtænkte en ny teknik til at producere 2-D metaltransistorer med halvledelse lavet af molybdæn tellurid (MoTe ₂ ). Det er et polymorft materiale, hvilket betyder, at det kan bruges både som metal og som halvleder. Kontaktmodstand ved grænsefladen mellem halvlederen og metallisk MoTe ₂ viser sig at være meget lav. Barrierehøjden blev sænket med en faktor 7, fra 150 meV til 22 meV.

IBS-forskere brugte den kemiske dampaflejringsteknik (CVD) til at bygge højkvalitets metallisk eller halvledende MoTe ₂ krystaller. Polymorfien styres af temperaturen inde i en varmvægget kvartsrørsovn fyldt med NaCl-damp ved 710°C for at opnå metal, og 670°C for en halvleder.

Forskerne fremstillede også strukturer i større skala ved hjælp af striber af wolframdiselenid (WSe ₂ ) vekslet med wolfram ditellurid (WTe ₂ ). De skabte først et tyndt lag af halvledende WSe ₂ med kemisk dampaflejring, skrabede derefter nogle striber ud og voksede metallisk WTe2 på sin plads.

Det forventes, at i fremtiden det ville være muligt at realisere en endnu mindre kontaktmodstand, når den teoretiske kvantegrænse, som betragtes som et stort problem i studiet af 2-D materialer, herunder grafen og andre overgangsmetal dichalcogenid materialer.