Een eenvoudige en niet-destructieve fabricagetechniek zou kunnen helpen bij de fabricage van meer energie-efficiënte tweedimensionale (2-D) films die nodig zijn om de elektronica-industrie te transformeren.

atomair dun, 2-D overgangsmetaal dichalcogeniden (TMDC's) zoals wolfraamdisulfide (WS ₂ ) vertonen opmerkelijke fysieke, elektronische en opto-elektronische eigenschappen, zoals flexibiliteit, transparantie en halfgeleidende eigenschappen.

Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt bij het vervaardigen van 2D TMDC's, de ultradunne aard van dergelijke 2D-halfgeleiders sluit het gebruik van technieken zoals ionenimplantatie uit, met daaropvolgend activatiegloeien, voor het introduceren en vasthouden van doteermiddelen in mono- of weiniglaagse TMDC's.

Nutsvoorzieningen, Dongzhi Chi en collega's van het Institute of Materials Research and Engineering en het Institute of High Performance Computing bij A*STAR, in samenwerking met onderzoekers van de National University of Singapore, hebben een innovatieve techniek ontwikkeld die gebruik maakt van zeer reactieve stikstof (N) atomen voor het regelen van doteerstoffen in films van WS ₂ op atomaire schaal, en belooft een betrouwbare methode voor het dopen van 2-D TMDC's.

"[Het huidige] onvermogen om 2-D TMDC's effectief te dopen, belemmert de ontwikkeling van energiezuinige apparaten zoals veldeffecttransistors met behulp van productietechnologieën die momenteel worden gebruikt in de halfgeleiderindustrie, " zegt Chi.

TMDC's zoals WS ₂ zijn typisch n-type halfgeleiders en er zijn momenteel geen betrouwbare methoden voor het maken van atomair dunne TMDC's die p-type zijn. Dit is bijzonder vervelend omdat het betekent dat 2-D TMDC-apparaten, door noodzaak, zijn meestal gebaseerd op n-type CMOS-FET's - veldeffecttransistoren (FET's) die zijn vervaardigd met behulp van complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologieën (CMOS). Het ontbreken van een effectieve manier om p-type 2-D TMDC-gebaseerde CMOS-FET's te maken, beperkt de creatie van elektronica van de volgende generatie, opto-elektronische apparaten, en schone energietechnologieën.

Dus de onderzoekers keken naar atomaire stikstof als in tegenstelling tot de huidige dopingtechnieken, zoals ionenimplantatie of plasma-implantatie, het kan effectieve p-type doping produceren in 2-D TMDC-gebaseerde CMOS-FET's zonder merkbare structurele schade te veroorzaken.

Om atomaire N te produceren, ze gebruikten een plasma om geïoniseerd en atomair N te genereren in een keramische holte en legden een elektrisch veld aan om de stikstofionen vast te houden, de N-atomen laten reageren met een monster van WS ₂ verwarmd tot 300 graden C.

De hoge chemische activiteit en lage kinetische energie van de N brachten modificaties aan de structuur op mono- of enkele laagdiepte in het WS ₂ door zwavelatomen te vervangen en W-N chemische bindingen te vormen. Dit bleek ideaal te zijn voor het beheersen van de doteerstoffen op atomaire schaal.

"In tegenstelling tot andere dopingmethoden voor TMDC's, zoals moleculaire chemisorptie, fysisorptie en stikstofplasmadoping - onze methode introduceert stikstof in vervangende zwavelplaatsen door de zwavel te vervangen door stikstof, zonder de TMDC-lagen te beschadigen, " zegt Chi.

"Ons werk kan helpen om de ontwikkeling van de volgende generatie elektronica en opto-elektronicatechnologieën te versnellen, zoals logische circuits met ultralaag vermogen en slimme sensoren, gebaseerd op 2D halfgeleidende TMDC's, " zegt Chi.