Forøgelse af energieffektiviteten af ​​2D-materialeelektronik ved hjælp af topologisk semimetal

Drevet af forbrugermarkedets stadigt stigende ønsker om mindre, lettere og smartere enheder, størrelsen af ​​forbrugerelektronik såsom smartphones, tablets og bærbare computere, har været konstant faldende, mens de er blevet mere kraftfulde med hensyn til ydeevne gennem årene.

Gør disse enheder mindre, imidlertid, kommer til en pris. På grund af dominansen af ​​bizarre kvanteeffekter i ultrakompakte halvlederchips, felteffekttransistorer (FET) - elektriske kontakter, der danner rygraden i computerprocessorer og hukommelseschips - holder op med at opføre sig på en kontrollerbar måde. Sofistikerede enhedsarkitekturer, såsom FinFET og Gate-All-Around FET, skal anvendes for at fortsætte med at nedskalere størrelsen af ​​elektroniske enheder.

Todimensionelle (2-D) halvledere er blevet hyldet som en ny mulighed for næste generation af ultrakompakt computerelektronik. Da deres ultratynde krop typisk kun er nogle få atomer tyk, elektriske koblingsoperationer kan kontrolleres effektivt uden at involvere sofistikerede enhedsarkitekturer, når den laves om til en FET.

I 2016 World Economic Forum har udpeget 2-D-materiale som en af ​​de 10 bedste nye teknologier til fremtidens elektronik. Igen i 2018, grafen - et 2-D materiale med enestående egenskaber - er blevet fremhævet i World Economic Forum som et af de vigtigste plasmoniske materialer til at revolutionere sensorteknologi.

Når man laver en transistor, 2-D-halvlederen skal være elektrisk kontaktet af to stykker metaller kendt som source og drain. Sådanne processer, imidlertid, skaber en uønsket stor elektrisk modstand, almindeligvis kendt som kontaktmodstand, ved kilden og dræn komponenterne. Stor kontaktmodstand kan forringe transistorens ydeevne negativt og generere en betydelig mængde varme i enheden.

Disse negative virkninger kan i høj grad begrænse potentialet for 2-D materialer i halvlederindustrien. Søgningen efter et metal, der ikke producerer en stor kontaktmodstand, når det er bundet til 2-D halvledere, forbliver en igangværende søgen indtil videre.

Indrapportering Fysisk gennemgang anvendt , et forskerhold ledet af Singapore University of Technology and Design (SUTD) har opdaget en ny strategi til at løse kontaktmodstandsproblemet i 2-D halvledere. Ved at udføre en state-of-art density functional theory (DFT) beregningssimulering, SUTD-forskerholdet opdagede, at en ultratynd film af Na ₃ Bi - et nyligt opdaget topologisk halvmetal, hvis ledende natur er beskyttet af dets krystalsymmetri - med kun to atomlag kan bruges som en metalkontakt til 2-D halvledere med ultralav kontaktmodstand.

"Vi fandt ud af, at Schottky-barrierens højde dannedes mellem Na ₃ Bi- og 2-D-halvleder er en af ​​de laveste blandt mange metaller, der almindeligvis anvendes af industrien, " sagde Dr. Yee Sin Ang, en af ​​de ledende videnskabsmænd i SUTD-forskerholdet.

Kort fortalt, Schottky-barrieren er et tyndt isolatorlag dannet mellem metal og halvleder. Højden af ​​Schottky-barrieren har afgørende indflydelse på kontaktmodstanden. En lille Schottky-barrierehøjde er ønskelig for at opnå lav kontaktmodstand.

Opdagelsen af, at Schottky-barrieren dannedes mellem Na ₃ Bi og to almindeligt studerede 2-D halvledere, MoS ₂ og WS ₂ , er væsentligt lavere end mange almindeligt anvendte metaller, såsom guld, kobber og palladium, afslører styrken af ​​topologiske semimetale tynde film til at designe energieffektive 2-D halvlederenheder med minimal kontaktmodstand.

"Vigtigt, vi fandt, at når 2-D halvledere kontaktes af Na ₃ B, de iboende elektroniske egenskaber af 2D-halvlederen bibeholdes, " sagde Dr. Liemao Cao, DFT-eksperten fra SUTD-forskerholdet.

2-D halvledere kan 'smelte' sammen med et metal i kontakt og blive metalliseret. Metaliserede 2-D halvledere mister deres originale elektriske egenskaber, som er meget nødvendige til elektronik og optoelektronik applikationer. Forskerholdet fandt, at Na ₃ Bi tynd film metaliserer ikke 2-D halvledere. Brug af Na ₃ Bi-tynd film som metalkontakt til 2-D halvleder kan således være yderst fordelagtig til enhedsapplikationer, såsom fotodetektorer, solceller, og transistorer.

"Vores banebrydende koncept, der synergerer 2-D materialer og topologiske materialer, vil tilbyde en ny vej mod design af energieffektive elektroniske enheder, hvilket er særligt vigtigt for at reducere energiaftrykket fra avancerede computersystemer, såsom internet-of-things og kunstig intelligens, " kommenterede professor Ricky L. K. Ang, forskergruppens hovedefterforsker, og videnskabschefen, Matematik og teknologiklynge i SUTD.