De oude regels zijn niet noodzakelijk van toepassing bij het bouwen van elektronische componenten uit tweedimensionale materialen, volgens wetenschappers van Rice University.

Het Rice-lab van theoretisch fysicus Boris Yakobson analyseerde hybriden die 2D-materialen zoals grafeen en boornitride naast elkaar zetten om te kijken wat er aan de grens gebeurt. Ze ontdekten dat de elektronische kenmerken van dergelijke "co-planaire" hybriden verschillen van omvangrijkere componenten.

Hun resultaten verschijnen deze maand in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

Het verkleinen van elektronica betekent het verkleinen van hun componenten. Academische laboratoria en industrieën bestuderen hoe materialen zoals grafeen het ultieme in dunne apparaten mogelijk kunnen maken door alle benodigde circuits in een atoomdikke laag te bouwen.

"Ons werk is belangrijk omdat halfgeleiderjuncties een groot veld zijn, " zei Yakobson. "Er zijn boeken met iconische modellen van elektronisch gedrag die buitengewoon goed zijn ontwikkeld en de gevestigde pijlers van de industrie zijn geworden.

"Maar deze zijn allemaal voor bulk-naar-bulk-interfaces tussen driedimensionale metalen, " zei hij. "Nu mensen actief bezig zijn om tweedimensionale apparaten te maken, vooral met co-planaire elektronica, we beseften dat de regels moesten worden heroverwogen. Veel van de gevestigde modellen die in de industrie worden gebruikt, zijn gewoon niet van toepassing."

De onderzoekers onder leiding van Rice afgestudeerde student Henry Yu bouwden computersimulaties die de ladingsoverdracht tussen atoomdikke materialen analyseren.

"Het was een logische stap om onze theorie over zowel metalen als halfgeleiders te testen, die zeer verschillende elektronische eigenschappen hebben, " zei Yu. "Dit maakt grafeen, wat een metaal is - of een halfmetaal, om precies te zijn:molybdeendisulfide en boornitride, die halfgeleiders zijn, of zelfs hun hybride ideale systemen om te bestuderen.

"In feite, deze materialen worden al bijna tien jaar op grote schaal vervaardigd en gebruikt in de gemeenschap, wat de analyse ervan in het veld merkbaarder maakt. Verder, beide hybriden van grafeen-molybdeendisulfide en grafeen-boornitride zijn onlangs met succes gesynthetiseerd, wat betekent dat onze studie praktische betekenis heeft en nu in het laboratorium kan worden getest, " hij zei.

Yakobson zei dat 3D-materialen een smal gebied hebben voor ladingsoverdracht op de positieve en negatieve (of p/n) overgang. Maar de onderzoekers ontdekten dat 2D-interfaces "een zeer niet-gelokaliseerde ladingsoverdracht" creëerden - en een elektrisch veld daarmee - dat de junctie aanzienlijk vergroot. Dat zou hen een voordeel kunnen opleveren in fotovoltaïsche toepassingen zoals zonnecellen, aldus de onderzoekers.

Het lab bouwde een simulatie van een hybride van grafeen en molybdeendisulfide en beschouwde ook grafeen-boornitride en grafeen waarin de helft werd gedoteerd om een ​​p/n-overgang te creëren. Hun berekeningen voorspelden dat de aanwezigheid van een elektrisch veld 2-D Schottky-apparaten (eenrichtingsverkeer) zoals transistors en diodes beter afstembaar zou maken op basis van de grootte van het apparaat zelf.

Hoe de atomen op elkaar aansluiten is ook belangrijk, zei Yakobson. Grafeen en boornitride hebben beide hexagonale roosters, zodat ze perfect in elkaar passen. Maar molybdeendisulfide, nog een veelbelovend materiaal, is niet bepaald vlak, hoewel het nog steeds als 2D wordt beschouwd.

"Als de atomaire structuren niet overeenkomen, je krijgt bungelende banden of defecten langs de grens, " zei hij. "De structuur heeft gevolgen voor elektronisch gedrag, vooral voor wat Fermi level pinning wordt genoemd."

Pinning kan de elektrische prestaties verminderen door een energiebarrière te creëren bij de interface, Yakobson uitgelegd. "Maar je Schottky-barrière (waarin de stroom maar in één richting beweegt) verandert niet zoals verwacht. Dit is een bekend fenomeen voor halfgeleiders; het is alleen dat in twee dimensies, het is anders, en in dit geval kunnen 2D-systemen de voorkeur geven boven 3D-systemen."

Yakobson zei dat de principes van het nieuwe artikel van toepassing zullen zijn op patroonhybriden van twee of meer 2D-patches. "Je kunt er iets bijzonders van maken, maar de basiseffecten bevinden zich altijd op de interfaces. Als je veel transistors in hetzelfde vlak wilt hebben, het is goed, maar je moet nog steeds rekening houden met effecten op de kruispunten.

"Er is geen reden waarom we geen 2D-gelijkrichters kunnen bouwen, transistors of geheugenelementen, " zei hij. "Ze zullen hetzelfde zijn als we nu routinematig in apparaten gebruiken. Maar tenzij we een behoorlijke fundamentele kennis van de fysica ontwikkelen, ze kunnen misschien niet doen wat we ontwerpen of plannen."