Atomisk patchwork ved hjælp af heteroepitaxy til næste generation af halvlederenheder

Forskere fra Tokyo Metropolitan University har dyrket atomisk tynde krystallinske lag af overgangsmetal dichalcogenider (TMDC'er) med varierende sammensætning over rummet, kontinuerlig indføring af forskellige typer TMDC til et vækstkammer for at skræddersy ændringer i egenskaber. Eksempler omfatter 20-nanometer strimler omgivet af TMDC'er med atomisk lige grænseflader og lagdelte strukturer. De undersøgte også direkte de elektroniske egenskaber af disse heterostrukturer; potentielle anvendelser omfatter elektronik med uovertruffen strømeffektivitet.

Halvledere er uundværlige; siliciumbaserede integrerede kredsløb understøtter driften af ​​alt digitalt, fra diskrete enheder som computere, smartphones og husholdningsapparater til at styre komponenter til enhver mulig industriel anvendelse. En bred vifte af videnskabelig forskning er blevet rettet mod de næste trin i halvlederdesign, især anvendelsen af ​​nye materialer til at konstruere mere kompakte, effektive kredsløb, der udnytter den kvantemekaniske opførsel af materialer på nanometer-længdeskalaen. Af særlig interesse er materialer med en fundamentalt anderledes dimensionalitet; det mest berømte eksempel er grafen, et todimensionelt gitter af kulstofatomer, som er atomart tyndt.

Overgangsmetal dichalcogenider (eller TMDC'er) er lovende kandidater til inkorporering i nye halvlederenheder. Sammensat af overgangsmetaller som molybdæn og wolfram og et chalcogen (eller gruppe 16 grundstof) som svovl eller selen, de kan danne lagdelte krystallinske strukturer, hvis egenskaber ændres drastisk, når det metalliske element ændres, fra normale metaller til halvledere, selv til superledere. Ved kontrollerbart at væve domæner af forskellige TMDC'er til en enkelt heterostruktur (lavet af domæner med forskellig sammensætning), det kan være muligt at producere atomisk tynd elektronik med distinkte, overlegne egenskaber i forhold til eksisterende enheder.

Et team ledet af Dr. Yu Kobayashi og lektor Yasumitsu Miyata fra Tokyo Metropolitan University har været på forkant med bestræbelserne på at skabe todimensionelle heterostrukturer med forskellige TMDC'er ved hjælp af dampfasedeposition, aflejring af forstadiemateriale i damptilstand på en overflade for at lave atomisk flade krystallinske lag. En af de største udfordringer, de stod over for, var at skabe en perfekt flad grænseflade mellem forskellige domæner, en væsentlig funktion for at få mest muligt ud af disse enheder. Nu, det er lykkedes dem at konstruere en kontinuerlig proces til at dyrke veldefinerede krystallinske strimler af forskellige TMDC'er på kanten af ​​eksisterende domæner, skabe strimler så tynde som 20nm med en anden sammensætning. Deres nye proces bruger flydende prækursorer, som sekventielt kan føres ind i et vækstkammer; ved at optimere vækstraten, de var i stand til at dyrke heterostrukturer med forskellige domæner forbundet perfekt over atomisk lige kanter. De afbildede forbindelsen direkte ved hjælp af scanning tunneling microscopy (STM), finde fremragende overensstemmelse med første principper numeriske simuleringer af, hvordan en ideel grænseflade skal se ud. Holdet brugte fire forskellige TMDC'er, og realiserede også en lag-på-lag-heterostruktur.

Ved at skabe atomisk skarpe grænseflader, elektroner kan effektivt være begrænset til endimensionelle rum på disse 2-D enheder, til udsøgt kontrol af elektrontransport og resistivitet samt optiske egenskaber. Holdet håber, at dette kan bane vejen for enheder med uovertruffen energieffektivitet og nye optiske egenskaber.