Defektfjernelse af 2D-halvlederkrystaller:Indfangning af iltmolekyler giver større kontrol

En undersøgelse af oxygenmolekyler, der interagerer med atomisk tynde lag af materialer, der udvikles som nye generationer af halvledere, kan forbedre kontrollen over fremstillingen og anvendelsen af ​​disse todimensionelle (2D) materialer markant.

Arbejdet, udført af forskere ved Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), i Sydkorea, med kolleger andre steder i Sydkorea og i Japan, er offentliggjort i tidsskriftet Advanced Science .

Det enkelte lag af bundne atomer, der omfatter 2D-materialer, kan have halvledende egenskaber, der er egnede til fremstilling af elektroniske komponenter, herunder transistorer, i meget mindre skalaer end normalt muligt. Dette kunne flytte mikroelektronik ned i nanoelektronikniveauet og bygge små og mere effektive kredsløb, herunder fleksible enheder og solceller.

Nogle af de mest lovende 2D-materialer er overgangsmetal-dichalcogenider (TMD'er), som har elementer fra overgangsmetalgrupperne i det periodiske system kombineret med dobbelt så mange kalkogen-elementer, især svovl, selen og tellur. DGIST-teamet og deres kolleger arbejdede med monolag TMD-krystaller af wolfram og svovl med formlen WS₂ .

De undersøgte iltmolekylers tendens til at blive adsorberet på defekte steder i krystaller - svovltomrum, hvor et svovlatom mangler i WS₂ gittersteder. De undersøgte vekselvirkningerne mellem defekterne og oxygenmolekyler med en teknik kaldet elektronenergitabsspektroskopi (EELS).

Dette bruger et elektronmikroskop til at affyre elektroner gennem materialet og analyserer derefter mønstrene for energitab fra elektronerne for at afsløre afgørende strukturel information. EELS-resultaterne blev kombineret med indsigt fra optisk analyse og teoretiske beregninger.

Forskerne lagde særlig vægt på adsorberede oxygenmolekylers evne til at blive fikseret på plads, når WS₂ krystaller blev indkapslet i monolag af et andet materiale - hexagonalt bornitrid (h-BN) - over og under WS₂ lag. h-BN er en almindelig ingrediens i elektroniske og fotoniske enheder konstrueret ved hjælp af 2D TMD'er.

Fixering af oxygenmolekylerne på plads på defekte steder ændrer og stabiliserer TMD'ernes elektroniske adfærd i en proces kaldet passivering. Dette påvirker krystallerne på subtile måder, som vil påvirke deres aktivitet i en række applikationer.

"Vores arbejde giver et nyt indblik i de defektrelaterede fænomener i 2D TMD'er, som kan udløse revolutionære tilgange til at kontrollere defekttilstandene," siger halvleder- og nanofotonikspecialist prof. Chang-Hee Cho fra DGIST-teamet.

"Vi håber nu at udvikle nye eksperimentelle tilgange og teknikker til at kontrollere defekte tilstande af 2D TMD'er ved hjælp af h-BN-indkapsling," tilføjer Cho. "Dette vil give os mulighed for at flytte metoden mod at være klar til fuldskala udvikling og eventuel kommerciel anvendelse."

Flere oplysninger: Jin-Woo Jung et al., Defektpassivation af 2D-halvledere ved at fiksere kemisorberede iltmolekyler via h-BN-indkapslinger, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202310197

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology