Stam forbedrer ydeevnen af ​​atomtyndt halvledermateriale

Forskere ved UConn's Institute of Materials Science forbedrede markant ydeevnen af ​​et atomisk tyndt halvledermateriale ved at strække det, en bedrift, der kan vise sig at være gavnlig for ingeniører, der designer den næste generation af fleksibel elektronik, nano-enheder, og optiske sensorer.

I en undersøgelse, der optræder i forskningstidsskriftet Nano bogstaver , Michael Pettes, adjunkt i maskinteknik, rapporterer, at et seks-atom tykt dobbeltlag af wolframdiselenid udviste en 100 gange stigning i fotoluminescens, når det blev udsat for belastning. Materialet havde aldrig udvist en sådan fotoluminescens før.

Resultaterne markerer første gang, at forskere har været i stand til endegyldigt at vise, at egenskaberne af atomisk tynde materialer kan manipuleres mekanisk for at forbedre deres ydeevne, siger Pettes. Sådanne muligheder kan føre til hurtigere computerprocessorer og mere effektive sensorer.

Processen, som forskerne brugte til at opnå resultatet, er også væsentlig, fordi den tilbyder en pålidelig ny metode til at måle belastningens påvirkning på ultratynde materialer, noget, der har været svært at gøre og en hæmsko for innovation.

"Eksperimenter med belastning kritiseres ofte, da belastningen af ​​disse atomtynde materialer er vanskelig at bestemme og ofte spekulerer som forkert, "siger Pettes." Vores undersøgelse giver en ny metode til at udføre belastningsafhængige målinger af ultratynde materialer, og dette er vigtigt, fordi belastning forventes at give størrelsesordensændringer i egenskaberne af disse materialer på tværs af mange forskellige videnskabelige områder."

Forskere har været fascineret af potentialet i atomisk tynde materialer, lige siden forskerne Andre Geim og Konstantin Novoselov med succes kløvede et et-atom tykt lag grafen fra et stykke grafit i 2004. Betragtes som et supermateriale for dets enestående styrke, fleksibilitet, og evne til at lede elektricitet, todimensionel grafen forvandlede elektronikindustrien og gav forskerne en Nobelpris.

Men for alt det, det tilbyder, grafen har sine begrænsninger. Det er en dårlig halvleder, fordi den mangler et elektronbåndgab i sin indre struktur. Som resultat, elektroner er uhindrede og strømmer hurtigt igennem det, når materialet er energisat. De bedste halvledermaterialer, såsom silicium, har et betydeligt båndgab, der gør det muligt at tænde og slukke for en strøm af elektroner. Denne evne er afgørende for at skabe strengene af nuller og ener, der udgør de binære computerkoder, der bruges i transistorer og integrerede kredsløb.

Materialeforskere udforsker potentialet i andre todimensionelle og atomisk tynde materialer i håb om at finde produkter, der er bedre end grafen og silicium.

Strain engineering er blevet diskuteret som en mulig måde at forbedre ydeevnen af ​​disse materialer på, fordi deres ultratynde struktur gør dem særligt modtagelige for bøjning og strækning, i modsætning til deres større tredimensionelle bulkformer. Men at teste virkningen af ​​belastning på materialer, der kun er få atomer tykke, har vist sig enormt vanskeligt.

I nærværende undersøgelse, Pettes og Wei Wu, en ph.d. studerende i Pettes' laboratorium og undersøgelsens hovedforfatter, var i stand til at måle indflydelsen af ​​belastning på et enkelt krystallinsk dobbeltlag af wolframdiselenid ved først at indkapsle det i et fint lag akrylglas og derefter opvarme det i et argongaskammer. (Eksponering for luft ville ødelægge prøven). Denne termiske behandling styrkede materialets vedhæftning til et polymersubstrat, muliggør en næsten perfekt overførsel af påført belastning, hvilket har været svært at opnå i tidligere forsøg.

Gruppen tilpassede derefter en bøjningsenhed, der tillod dem omhyggeligt at øge belastningen på materialet, mens de overvågede, hvordan det reagerede gennem et Horiba Multiline Raman-spektrometer ved Harvard Center for Nanoscale Systems, en delt brugerfacilitet finansieret af National Science Foundation.

Det var et spændende øjeblik.

"Vores nye metode gjorde det muligt for os at påføre omkring to gange mere belastning af 2-D-materialet, end nogen tidligere undersøgelse har rapporteret, " siger Pettes. "I bund og grund, vi var på nyt område. "

Ultimativt, forskerne fandt ud af, at påføring af stigende belastningsniveauer på materialet ændrede dets elektronstrøm, hvilket blev afspejlet af den øgede intensitet i fotoluminescens.

Arbejder med computermodelleringsekspert Avinash Dongare, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved UConn, og tidligere ph.d. studerende Jin Wang, holdet var i stand til at vise, at deres proces kunne, teoretisk set, manipulere båndgabet af wolframdiselenid og andre atomisk tynde materialer, hvilket er ekstremt vigtigt for designingeniører, der søger hurtigere og mere effektive halvledere og sensorer. Manipulering af en halvleder med et indirekte båndgab meget tæt på overgangen til et direkte båndgab kan føre til ekstremt hurtige behandlingsmuligheder.

"Dette er første gang, at ydre kontrol over en indirekte-til-direkte elektronbåndgab-overgang er blevet endeligt rapporteret, "siger Pettes." Vores fund bør give computervidenskabsmænd, der bruger kunstig intelligens, mulighed for at designe nye materialer med ekstremt belastningsbestandige eller belastningsfølsomme strukturer. Det er ekstremt vigtigt for den næste generation af højtydende fleksibel nanoelektronik og optoelektroniske enheder."