Forskere giver 2D-elektronik et ydelsesboost

Todimensionelle (2D) halvledere har en unik egenskab, der gør det muligt at reducere deres tykkelse til et eller få atomer - og denne egenskab kan potentielt minimere de korte kanaleffekter, der forbliver et problem i avancerede siliciumbaserede transistorer, for eksempel ved at tænde en transistor for tidligt.

På trods af det potentiale, som 2D-halvledere har til at erstatte konventionelle halvledende materialer som silicium i fremtiden, er der stadig en vigtig udfordring:deres lave bærermobilitet ved stuetemperatur, forårsaget af stærk spredning mellem elektroner og fononer.

Vej- og trafikforhold bestemmer mængden af ​​tid og energi, som en person bruger på at rejse fra et sted til et andet. På lignende måde måler bærermobilitet, hvor hurtigt en bærer, såsom en elektron eller et hul, kan bevæge sig gennem et materiale, når der er et elektrisk felt. Denne egenskab afgør også, om et halvledende materiale er egnet til elektroniske enheder.

Høj mobilitet kan effektivt reducere strømtab i integrerede kredsløb og sænke det samlede strømforbrug og dermed forlænge levetiden for elektriske enheder eller systemer, samt reducere omkostningerne ved at drive disse enheder eller systemer.

Forskere fra Agenturet for Videnskab, Teknologi og Forsknings (A*STAR) Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), Fudan University, National University of Singapore og Hong Kong Polytechnic University har for nylig fundet ud af, at placering af 2D-materialer på substrater med udbulede morfologier kan forbedre transportørens mobilitet ved stuetemperatur med to ordrer. Disse buler skaber krusninger i materialet og forvrænger dermed dets gitterstruktur – flytter et eller flere atomer fra deres oprindelige position i en ideel struktur.

Denne tilgang står i kontrast til konventionelle strategier, som er afhængige af perfekte gitterstrukturer for at forbedre bærermobiliteten, da enhver form for urenhed eller gitterforvrængning anses for at påvirke mobiliteten negativt.

I en undersøgelse offentliggjort i Nature Electronics i juni 2022 observerede forskere, at bølgende 2D-molybdændisulfid (MoS₂ ) med gitterforvrængninger skabe en større elektrisk polarisering, der kan renormalisere frekvensen af ​​fononer. Denne renormaliserede fononfrekvens reducerer effektivt styrken af ​​spredning mellem elektroner og fononer og øger dermed bærebølgemobiliteten i MoS₂ . Det betyder, at elektroner nu kan bevæge sig hurtigere gennem materialet.

Undersøgelsesresultater viser, at transportørmobilitet ved stuetemperatur forbedres med to ordrer i rippled MoS₂ 900 cm ² V ^-1 s ^-1 . Det observerede resultat overstiger den forudsagte phonon-begrænsede mobilitet for flad MoS₂ på 200–410 cm ² V ^-1 s ^-1 .

Gennem undersøgelsen skabes buler i gitterstrukturen af ​​MoS₂ viste sig at overvinde materialets iboende bærermobilitetsgrænse. Dette baner vejen for MoS₂ og andre 2D-materialer, der skal bruges til at skabe felteffekttransistorer og termoelektriske enheder med konkurrencedygtig ydeevne ved stuetemperatur.

"Vores tilgang er enkel og omkostningseffektiv og demonstrerer gitterkonstruktion som en effektiv strategi til at skabe højtydende rumtemperaturelektronik og termoelektriske enheder til fremtidens elektronik," sagde Dr. Wu Jing, videnskabsmand ved A*STAR's IMRE.

"Vi afslører yderligere den underliggende mekanisme, at den forbedrede bærermobilitet skyldes den undertrykte elektron-fonon-spredning og øget iboende dielektrisk konstant induceret af de krusede strukturer i 2D-halvlederen. Begge af dem spiller synergistiske effekter for at booste den iboende bærermobilitet." sagde Dr. Yang Ming, adjunkt ved Institut for Anvendt Fysik, Hong Kong Polytechnic University. + Udforsk yderligere

Brug af gitterforvrængninger til at forbedre bærermobilitet i 2D-halvledere