(Phys.org) —Hoewel wetenschappers de opmerkelijke elektronische eigenschappen van nanomaterialen zoals grafeen en overgangsmetaaldichalcogeniden blijven ontdekken, de manier waarop elektrische stroom op deze schaal stroomt, is niet goed begrepen. In een nieuwe studie, wetenschappers hebben voor het eerst onderzocht hoe een stroom precies door meerlagige 2D-materialen stroomt, en ontdekte dat de stroom in deze materialen heel anders is dan de stroom in 3D-materialen en niet kan worden verklaard met conventionele modellen. Dit begrip zou onderzoekers kunnen helpen bij het ontwerpen van toekomstige nano-elektronica-apparaten.

De onderzoekers, Saptarshi Das en Joerg Appenzeller aan de Purdue University in West Lafayette, Indiana, hebben hun paper over stroomstroming in 2D gelaagde materialen gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

"Door onze experimentele aanpak, we hebben een nieuwe manier bedacht om de stroom door deze laagdimensionale materialen te begrijpen, en we ontdekten ook dat de conventionele modellen voor vervoer van vervoerders die van toepassing zijn op bulkmaterialen moeten worden herzien voor gelaagde 2D-systemen, "Das vertelde" Phys.org .

In hun studie hebben de wetenschappers evalueerden experimenteel de stroom en distributie in een transistor gemaakt van 2D MoS ₂ , die ongeveer 8 nm dik was en uit ongeveer 13 lagen bestond. Zoals de wetenschappers hebben uitgelegd, de stroom in de afzonderlijke lagen kan niet direct worden gemeten. Dus bedachten ze een alternatieve methode om de huidige verdeling in de meerdere lagen in kaart te brengen, waarbij kanaallengte wordt geschaald met behulp van een scanning elektronenmicroscoop.

De wetenschappers ontdekten dat de stroom in 2-D MoS ₂ wordt verdeeld over de 13 lagen zodat de toplagen de hoogste mobiliteit en laagste weerstand hebben, terwijl de onderste lagen de laagste mobiliteit en hoogste weerstand hebben. Door het gewogen gemiddelde van de stroom in de afzonderlijke lagen te berekenen, de onderzoekers bepaalden de locatie van de "HOT-SPOT" als het centrum van de huidige distributie, die in dit geval in de bovenste lagen was.

Echter, toen de wetenschappers de voorspanning op de poort veranderden, de locatie van de "HOT-SPOT" veranderde ook. Bij hoge gate-biaswaarden, de weerstand van elke laag is laag en de "HOT-SPOT" bevindt zich op de bovenste lagen. Maar wanneer de poortbias wordt verminderd, de weerstand neemt toe en de "HOT-SPOT" migreert naar de lagere lagen. Deze ongebruikelijke migratie van de "HOT-SPOT" als functie van de toegepaste poortbias geeft ook aanleiding tot een extra weerstand die de onderzoekers "tussenlaagweerstand, " die niet wordt gevonden in 3D-materialen en niet kan worden verklaard binnen het conventionele model van stroomstroming op basis van Schottky-barrièrecontacten.

De wetenschappers evalueerden ook experimenteel de huidige stroom en distributie in 2D-grafeen bestaande uit ongeveer 13 lagen, en waargenomen tegengestelde effecten in vergelijking met de MoS ₂ . Namelijk, de onderzoekers ontdekten dat de stroom voornamelijk naar de onderste lagen in grafeen stroomt, waar de "HOT-SPOT" zich bevindt, terwijl de toplagen een hogere weerstand hebben. De onderzoekers leggen uit dat dit verschil ontstaat doordat grafeen en MoS ₂ verschillende fysieke eigenschappen hebben, en de positie van de "HOT-SPOT" wordt bepaald door de fysieke eigenschappen van een materiaal. Door de fysieke eigenschappen van een meerlagig 2D-materiaal te kennen, de positie van de "HOT-SPOT" kan worden voorspeld met een foutenmarge van 5%.

Het begrijpen van de huidige stroom en distributie in meerlagige 2D-materialen - samen met de wetenschap dat deze kenmerken voor verschillende materialen verschillen - zal waarschijnlijk zeer nuttig blijken bij het ontwerpen van toekomstige elektronische componenten.

"Het begrijpen van het vervoer van dragers in laagdimensionale materialen is niet alleen aantrekkelijk vanuit een fundamenteel wetenschappelijk standpunt, maar ook even belangrijk in de context van krachtig apparaatontwerp, Das zei. "Onze experimentele studie in combinatie met analytische modellering biedt nieuwe inzichten over de stroom in tweedimensionale gelaagde materialen zoals MoS ₂ en grafeen, wat nuttig zal zijn voor veel onderzoekers die op dit gebied werken."

Das voegde eraan toe dat zijn toekomstige werk zich zal concentreren op de implementatie van nieuwe apparaatconcepten op basis van nieuwe 2D-materialen die gebruik maken van hun unieke elektrische, mechanische en optische eigenschappen.

© 2013 Fys.org. Alle rechten voorbehouden.