Germanium, een elementaire halfgeleider, was het materiaal bij uitstek in de vroege geschiedenis van elektronische apparaten, voordat het grotendeels werd vervangen door silicium. Maar vanwege zijn hoge mobiliteit van ladingsdragers - driemaal hoger dan die van silicium - maakt de halfgeleider een comeback.

Germanium (Ge) wordt over het algemeen gekweekt op dure eenkristalsubstraten, een nieuwe uitdaging toevoegen om het duurzaam levensvatbaar te maken voor de meeste toepassingen. Om dit aspect aan te pakken, onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute in de Verenigde Staten demonstreren een epitaxiemethode die de krachten van Van der Waals gebruikt om Ge op mica te laten groeien. Toepassingen kunnen onder meer geavanceerde geïntegreerde schakelingen en hoogrenderende zonnecellen zijn.

"Dit is de eerste keer dat spanningsvrije van der Waals-epitaxie van een elementaire halfgeleider is aangetoond op mica, " zei Aaron Littlejohn, RPI-onderzoeker en co-auteur van het artikel dat het werk demonstreert, onlangs gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .

Het groeien van kristallijne filmlagen op kristallijne substraten (epitaxie genoemd) is alomtegenwoordig in de fabricage van halfgeleiders. Als de film en het substraatmateriaal hetzelfde zijn, dan vormen de perfect op elkaar afgestemde lagen sterke chemische bindingen voor optimale mobiliteit van ladingsdragers.

Verschillende materialen effectief in lagen aanbrengen, echter, is een uitdaging omdat de kristalroosters meestal niet op één lijn liggen. Om dit te omzeilen, onderzoekers gebruikten vdW-krachten, fenomenen die gebaseerd zijn op de probabilistische aard van elektronen, die zich niet in een vaste positie rond een kern bevinden. Liever, ze kunnen overal zijn, en de kans dat ze ongelijk verdeeld zijn, bestaat bijna altijd. Wanneer dit gebeurt, er is een geïnduceerde dipool:een lichte positieve lading aan de ene kant en een lichte negatieve lading aan de andere kant. Dit produceert zwak aantrekkelijke interacties tussen neutrale atomen.

De onderzoekers kozen mica als substraat om de Ge-film op te laten groeien vanwege het atomair gladde oppervlak, die vrij is van bungelende bindingen (ongepaarde valentie-elektronen). Dit zorgde ervoor dat er geen chemische binding zou plaatsvinden tijdens het vdW-epitaxieproces.

In plaats daarvan, de interface van het materiaal wordt bij elkaar gehouden via zwakke vdW-krachten. Dit zorgt voor de groei van een ontspannen film ondanks de dramatisch verschillende kristalstructuren van de twee materialen die een verschil van 23 procent hebben in atomaire afstanden. Naast het verlichten van de beperkingen van roosteraanpassing, vdW epitaxie zorgt ervoor dat de Ge-film mechanisch van het mica-oppervlak wordt geëxfolieerd en op zichzelf staat als een substraatloze film.

"Onze Ge-film zou kunnen worden gebruikt als een dunne-film nanomembraan, die gemakkelijker in elektronische apparaten kunnen worden geïntegreerd dan nanokristallen of nanodraden, Littlejohn zei. "Het zou ook kunnen dienen als substraat voor de daaropvolgende afzetting van extra materialen voor flexibele transistors en zonnecellen, of zelfs draagbare opto-elektronica."

Geraniumfilms met een dikte van ongeveer 80 nanometer werden gekweekt op micasubstraten van muscoviet op millimeterschaal met een dikte van 0,26 mm. Door de substraattemperatuur tijdens depositie en gloeien te variëren in het bereik van 300-500 graden Celsius, de onderzoekers ontdekten dat het kristalrooster stabiliseert bij ongeveer 425 graden Celsius.

"Eerder onderzoek impliceert dat elementaire halfgeleiders niet epitaxiaal kunnen worden gekweekt op mica met behulp van vdW-krachten bij een verhoogde temperatuur, maar we hebben nu anders laten zien, " zei Littlejohn. "Met het succes van onze Ge-film gekweekt op mica bij een praktische temperatuur, we verwachten dat andere niet-gelaagde elementaire of gelegeerde materialen op mica kunnen worden gekweekt via vdW-epitaxie."