Justering af sammensætningen og egenskaberne af halvledende 2-D legeringer

Halvledende 2D-legeringer kan være nøglen til at overvinde de tekniske begrænsninger ved moderne elektronik. Selvom 2-D Si-Ge legeringer ville have interessante egenskaber til dette formål, de blev kun forudsagt teoretisk. Nu, videnskabsmænd fra Japan Advanced Institute of Science and Technology har realiseret den første eksperimentelle demonstration. De har også vist, at Si til Ge-forholdet kan justeres for at finjustere legeringernes elektroniske egenskaber, baner vejen for nye applikationer.

Legeringer - materialer sammensat af en kombination af forskellige grundstoffer eller forbindelser - har spillet en afgørende rolle i den teknologiske udvikling af mennesker siden bronzealderen. I dag, legeringsmaterialer med lignende strukturer og kompatible elementer er afgørende, fordi det gør os i stand til at finjustere egenskaberne af den endelige legering, så de matcher vores behov.

Den alsidighed, som legering giver, strækker sig naturligvis til elektronikområdet. Halvlederlegeringer er et område med aktiv forskning, fordi nye materialer vil være nødvendige for at redesigne byggestenene i elektroniske enheder (transistorer); i denne forbindelse, todimensionelle (2-D) halvlederlegeringer ses som en lovende mulighed for at gå forbi moderne elektroniks tekniske begrænsninger. Desværre, grafen, det kulstofbaserede plakatbarn til 2D-materialer, egner sig ikke let til legering, hvilket udelader det af ligningen.

Imidlertid, der er et attraktivt alternativ:silicen. Dette materiale er udelukkende sammensat af silicium (Si) atomer arrangeret i en 2-D honeycomb-lignende struktur, der minder om grafen. Hvis egenskaberne af silicen kunne indstilles efter behov, feltet for 2-D silicium-baseret nanoelektronik ville tage fart. Selvom legering af silicen med germanium (Ge) teoretisk blev forudsagt at give stabile 2-D strukturer med egenskaber, der kan indstilles af Si til Ge-forholdet, dette blev aldrig realiseret i praksis.

Nu, et team af forskere fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) har eksperimentelt demonstreret en ny måde at dyrke et silicenlag på og stabilt erstatte en del af dets atomer med Ge, giver dem mulighed for at finjustere nogle af dets elektriske egenskaber.

Deres undersøgelse er offentliggjort i Materialer til fysisk gennemgang .

Først, forskerne dyrkede et enkelt lag 2-D silicen på en tynd zirconiumdiborid (ZrB2) film dyrket på et siliciumsubstrat gennem overfladesegregeringen af ​​Si-atomer, som krystalliserer i en 2-D honeycomb-lignende struktur. Imidlertid, dette silicenlag var ikke helt fladt; en sjettedel af alle Si-atomer var en smule højere end resten, danner periodiske buler eller "fremspring."

Derefter, Ge-atomer blev aflejret på silicenlaget under ultrahøjvakuumbetingelser. Interessant nok, både teoretiske beregninger og eksperimentelle observationer gennem mikroskopi og spektroskopi afslørede, at Ge-atomer kun kunne erstatte de udragende Si-atomer. Ved at justere antallet af deponerede Ge-atomer, en Si-Ge-legering med et ønsket Si til Ge-forhold kunne fremstilles. Sammensætningen af ​​det endelige materiale ville således være Si6−xGex, hvor x kan være et hvilket som helst tal mellem 0 og 1.

Holdet undersøgte derefter virkningerne af dette justerbare Si til Ge-forhold på Si-Ge-legeringens elektroniske egenskaber. De fandt ud af, at dets elektroniske båndstruktur, en af ​​de vigtigste egenskaber ved en halvleder, kunne justeres inden for et specifikt område ved at manipulere sammensætningen af ​​materialet. Spændt på resultaterne, Universitetslektor Antoine Fleurence fra JAIST, hovedforfatter af undersøgelsen, bemærkninger, "Silicon og germanium er grundstoffer, der almindeligvis anvendes i halvlederindustrien, og vi viste, at det er muligt at konstruere båndstrukturen af ​​2-D Si-Ge-legeringer på en måde, der minder om den for bulk (3-D) Si-Ge-legeringer, der bruges i forskellige applikationer."

Implikationerne af denne undersøgelse er vigtige af flere årsager. Først, den ultimative tyndhed og fleksibilitet af 2D-materialer er tiltalende for mange applikationer, fordi det betyder, at de lettere kan integreres i enheder til dagligt liv. Sekund, resultaterne kan bane vejen for et gennembrud inden for elektronik. Medforfatter til undersøgelsen, Professor Yukiko Yamada-Takamura fra JAIST, forklarer, "Halvledende 2D-materialer fremstillet af silicium og germanium med atomisk præcis tykkelse kan yderligere reducere dimensionerne af de elementære mursten af ​​elektroniske enheder. Dette ville repræsentere en teknologisk milepæl for silicium-baserede nanoteknologier."

Samlet set, denne undersøgelse viser blot nogle få af fordelene ved legering som en måde at fremstille materialer med mere ønskværdige egenskaber end dem, der er fremstillet af et enkelt element eller forbindelse. Lad os håbe, at halvledende 2D-legeringer bliver yderligere forfinet, så de kan tage fokus på næste generations elektroniske enheder.