Kontrolleret syntese af krystalflager baner vejen for avanceret fremtidig elektronik

Den tredje dimension kan være ansvarlig for at forhindre elektronik i at blive tyndere, mindre og mere fleksibel, ifølge et internationalt samarbejde, der udviklede en måde at fremstille nye, idealiserede todimensionelle halvledermaterialer. De offentliggjorde deres tilgang den 3. juni i Nano Research .

Forskerne, ledet af Lin Zhou, lektor i kemi ved Shanghai Jiao Tong University i Kina, fokuserede på indiumarsenid (InAs), en halvleder med smal båndgab med egenskaber, der er nyttige til højhastighedselektronik og meget følsomme infrarøde fotodetektorer. I modsætning til de fleste af de eksisterende 2D-materialer med lagdelte strukturer, er problemet, sagde Zhou, at InAs typisk har en 3D-gitterstruktur, hvilket gør det udfordrende at transformere til ultratynde 2D-film til avancerede elektroniske og optoelektroniske applikationer.

"Væksten af ​​store, ultratynde 2D ikke-lagsmaterialer har været en stor udfordring, men en udfordring værd at løse. Takket være dens høje mobilitet og afstembare båndgab kan 2D InAs være et kritisk materiale til næste generation af højtydende nanoelektronik , nanofotonik og kvanteudstyr," sagde Zhou. "Det har fordelene ved både InAs, såsom høj mobilitet, lille og direkte båndgab størrelse, og 2D-materialer, som har en ultratynde natur, der er egnet til små enheder, er fleksible og gennemsigtige." Dette arbejde giver også en lovende måde at udvide gruppen af ​​2D-halvledere yderligere ved at inkorporere materialer med ikke-lagstrukturer.

Forskerne udnyttede en svag atomær attraktion kendt som van der Waals-kraften i epitaksisk vækst. Kraften beskriver, hvordan neutrale molekyler kan forbindes med hinanden, mens epitaksi involverer påføring af en overlejring af et materiale på et krystallignende substrat. Ved at bruge atomisk flad glimmer, som er naturligt lagdelt, som substrat, dyrkede forskerne et tyndt lag InAs. Molekylerne i glimmersubstratet og molekylerne i InAs tiltrækkes gensidigt nok til at forbindes, hvilket forhindrer InAs i at vokse til et 3D-gitter. Desuden sikrer van der Waals vækst belastningsfri og ingen mistilpassede dislokationer i as-grown 2D InAs. InA'erne kan være utrolig tynde med ønskede egenskaber.

Zhou bemærkede også, at InAs og substratet ikke binder kovalent, så de kan adskilles og substratet genbruges, hvilket gør synteseprocessen mere omkostningseffektiv.

"Vi fandt også ud af, at vi kan tune egenskaberne af 2D InAs ved at ændre materialets tykkelse på grund af kvanteindeslutningseffekten," sagde Zhou. "2D InAs er let at skræddersy til at opnå ønskede egenskaber og til at integrere med andre forbindelser. Udover at manipulere tykkelsen under syntesen, kan vi også stable 2D InAs med andre 2D materialer for at danne heterojunctions for multifunktionsydelse, hvilket giver dem betydelige fordele i elektronik og solcelleanlæg."

Det endelige 2D InAs-materiale har form af trekantede flager, omkring fem nanometer tykke. Det er omkring 0,0007 på størrelse med et enkelt rødt blodlegeme. Jo mindre materialet er, jo mindre enheder vil det i sidste ende omfatte, sagde Zhou.

"Før dette arbejde var højkvalitets 2D - hvilket betyder mindre end 10 nanometer tykt - InAs var ikke blevet rapporteret, endsige en skalerbar syntese af 2D InAs enkeltkrystaller med unikke optiske og elektroniske egenskaber," sagde Zhou. "Vores arbejde baner vejen for miniaturisering af InAs-baserede enheder og integrationer."

Dernæst sagde Zhou, at holdet vil udforske ny 2D-halvleder for at vokse med et ultimativt mål om at opnå skalerbar syntese af højkvalitets 2D-materialer over store områder til multifunktionelle applikationer. + Udforsk yderligere

Undersøgelse af indiumarsenid baner vej for mindre, mere kraftfuld elektronik