Gedreven door de steeds toenemende vraag van de consumentenmarkt naar kleinere, lichtere en slimmere apparaten, de grootte van consumentenelektronica zoals smartphones, tablets en laptops, zijn voortdurend kleiner geworden terwijl ze in de loop der jaren krachtiger zijn geworden in termen van prestaties.

Deze apparaten kleiner maken, echter, komt met een prijs. Vanwege de dominantie van bizarre kwantumeffecten in ultracompacte halfgeleiderchips, veldeffecttransistors (FET) - elektrische schakelaars die de ruggengraat vormen van computerprocessors en geheugenchips - gedragen zich niet meer op een controleerbare manier. Geavanceerde apparaatarchitecturen, zoals FinFET en Gate-All-Around FET, moeten worden ingezet om de omvang van elektronische apparaten verder te verkleinen.

Tweedimensionale (2-D) halfgeleiders zijn geprezen als een nieuwe optie voor ultracompacte computerelektronica van de volgende generatie. Omdat hun ultradunne lichaam meestal maar een paar atomen dik is, elektrische schakelhandelingen kunnen efficiënt worden bestuurd zonder ingewikkelde apparaatarchitecturen wanneer er een FET van wordt gemaakt.

in 2016, het World Economic Forum heeft 2D-materiaal uitgeroepen tot een van de top 10 opkomende technologieën voor toekomstige elektronica. Ook in 2018, grafeen - een 2D-materiaal met uitzonderlijke eigenschappen - is in het World Economic Forum naar voren gebracht als een van de belangrijkste plasmonische materialen voor een revolutie in sensortechnologie.

Bij het maken van een transistor, de 2D-halfgeleider moet elektrisch worden gecontacteerd door twee stukken metaal die bekend staan ​​​​als de bron en de afvoer. dergelijke processen, echter, creëert een ongewenst grote elektrische weerstand, algemeen bekend als contactweerstand, bij de bron en laat de componenten leeglopen. Een grote contactweerstand kan de prestaties van de transistor nadelig beïnvloeden en een aanzienlijke hoeveelheid warmte in het apparaat genereren.

Deze nadelige effecten kunnen het potentieel van 2D-materialen in de halfgeleiderindustrie ernstig beperken. De zoektocht naar een metaal dat bij binding aan 2D-halfgeleiders geen grote contactweerstand produceert, blijft tot nu toe een voortdurende zoektocht.

Melden in Fysieke beoordeling toegepast , een onderzoeksteam onder leiding van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) heeft een nieuwe strategie ontdekt om het contactweerstandsprobleem in 2D-halfgeleiders op te lossen. Door een ultramoderne computationele simulatie van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) uit te voeren, ontdekte het SUTD-onderzoeksteam dat een ultradunne film van Na ₃ Bi - een recent ontdekt topologisch halfmetaal waarvan het geleidende karakter wordt beschermd door zijn kristalsymmetrie - met slechts twee atomaire lagen kan worden gebruikt als een metalen contact voor 2D-halfgeleiders met een ultralage contactweerstand.

"We ontdekten dat de Schottky-barrièrehoogte gevormd tussen Na ₃ Bi- en 2D-halfgeleider is een van de laagste van de vele metalen die gewoonlijk door de industrie worden gebruikt, " zei Dr. Yee Sin Ang, een van de leidende wetenschappers van het SUTD-onderzoeksteam.

Simpel gezegd, de Schottky-barrière is een dunne isolatorlaag gevormd tussen metaal en halfgeleider. De hoogte van de Schottky-barrière heeft een cruciale invloed op de contactweerstand. Een kleine Schottky-barrièrehoogte is wenselijk om een ​​lage contactweerstand te bereiken.

De ontdekking dat de Schottky-barrière gevormd tussen Na ₃ Bi en twee veel bestudeerde 2D-halfgeleiders, MoS ₂ en WS ₂ , aanzienlijk lager is dan veel veelgebruikte metalen, zoals goud, koper en palladium, onthult de kracht van dunne topologische halfmetaalfilms voor het ontwerpen van energiezuinige 2D-halfgeleiderapparaten met minimale contactweerstand.

"Belangrijk, we ontdekten dat wanneer 2D-halfgeleiders worden gecontacteerd door Na ₃ B, de intrinsieke elektronische eigenschappen van de 2D-halfgeleider blijven behouden, " zei Dr. Liemao Cao, de DFT-expert van het SUTD-onderzoeksteam.

2-D halfgeleiders kunnen 'versmelten' met een contact makend metaal en gemetalliseerd worden. Gemetalliseerde 2D-halfgeleiders verliezen hun oorspronkelijke elektrische eigenschappen die hard nodig zijn voor elektronica- en opto-elektronicatoepassingen. Het onderzoeksteam ontdekte dat Na ₃ Bi-dunne film metalliseert geen 2-D halfgeleiders. Na . gebruiken ₃ Bi-dunne film als metaalcontact met 2D-halfgeleider kan dus zeer gunstig zijn voor apparaattoepassingen, zoals fotodetectoren, zonnepanelen, en transistoren.

"Ons baanbrekende concept dat 2D-materialen en topologische materialen synergiseert, biedt een nieuwe route naar het ontwerp van energiezuinige elektronische apparaten, wat vooral belangrijk is voor het verkleinen van de energievoetafdruk van geavanceerde computersystemen, zoals internet-of-things en kunstmatige intelligentie, " merkte professor Ricky L.K. Ang op, de hoofdonderzoeker van het onderzoeksteam, en het hoofd van de wetenschap, Wiskunde- en technologiecluster in SUTD.