Halfgeleidende 2D-legeringen kunnen de sleutel zijn tot het overwinnen van de technische beperkingen van moderne elektronica. Hoewel 2-D Si-Ge legeringen voor dit doel interessante eigenschappen zouden hebben, ze werden alleen theoretisch voorspeld. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology hebben de eerste experimentele demonstratie gerealiseerd. Ze hebben ook aangetoond dat de Si tot Ge-verhouding kan worden aangepast om de elektronische eigenschappen van de legeringen te verfijnen, de weg vrijmaakt voor nieuwe toepassingen.

Legeringen - materialen die zijn samengesteld uit een combinatie van verschillende elementen of verbindingen - hebben sinds de bronstijd een cruciale rol gespeeld in de technologische ontwikkeling van de mens. Vandaag, legeringsmaterialen met vergelijkbare structuren en compatibele elementen is essentieel omdat het ons in staat stelt de eigenschappen van de uiteindelijke legering af te stemmen op onze behoeften.

De veelzijdigheid die door legeren wordt geboden, strekt zich natuurlijk uit tot het gebied van elektronica. Halfgeleiderlegeringen zijn een gebied van actief onderzoek omdat nieuwe materialen nodig zullen zijn om de bouwstenen van elektronische apparaten (transistoren) opnieuw te ontwerpen; in dit verband, tweedimensionale (2-D) halfgeleiderlegeringen worden gezien als een veelbelovende optie om voorbij de technische beperkingen van moderne elektronica te gaan. Helaas, grafeen, het op koolstof gebaseerde posterkind voor 2D-materialen, leent zich niet gemakkelijk voor legeren, waardoor het buiten de vergelijking valt.

Echter, er is een aantrekkelijk alternatief:siliceen. Dit materiaal is volledig samengesteld uit silicium (Si)-atomen die zijn gerangschikt in een 2D-honingraatachtige structuur die doet denken aan grafeen. Als de eigenschappen van siliceen naar behoefte kunnen worden aangepast, het gebied van 2-D op silicium gebaseerde nano-elektronica zou van de grond komen. Hoewel theoretisch werd voorspeld dat het legeren van siliceen met germanium (Ge) stabiele 2-D-structuren zou opleveren met eigenschappen die kunnen worden afgesteld door de Si tot Ge-verhouding, dit is in de praktijk nooit gerealiseerd.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) heeft experimenteel een nieuwe manier aangetoond om een ​​siliceenlaag te laten groeien en een deel van zijn atomen stabiel te vervangen door Ge, waardoor ze enkele van zijn elektrische eigenschappen kunnen verfijnen.

Hun studie is gepubliceerd in Fysiek beoordelingsmateriaal .

Eerst, de wetenschappers groeiden een enkele laag 2-D-siliceen op een dunne film van zirkoniumdiboride (ZrB2) die op een siliciumsubstraat was gegroeid door de oppervlaktescheiding van Si-atomen die kristalliseren in een 2-D honingraatachtige structuur. Echter, deze siliceenlaag was niet perfect vlak; een zesde van alle Si-atomen was iets hoger dan de rest, periodieke bultjes of 'uitsteeksels' vormen.

Vervolgens, Ge-atomen werden onder ultrahoog vacuüm op de siliceenlaag afgezet. interessant, zowel theoretische berekeningen als experimentele waarnemingen door middel van microscopie en spectroscopie onthulden dat Ge-atomen alleen de uitstekende Si-atomen konden vervangen. Door het aantal afgezette Ge-atomen aan te passen, een Si-Ge-legering met een gewenste Si tot Ge-verhouding zou kunnen worden geproduceerd. De samenstelling van het uiteindelijke materiaal zou dus Si6−xGex zijn, waarbij x elk willekeurig getal tussen 0 en 1 kan zijn.

Het team bestudeerde vervolgens de effecten van deze instelbare Si tot Ge-verhouding op de elektronische eigenschappen van de Si-Ge-legering. Ze ontdekten dat de elektronische bandstructuur, een van de belangrijkste kenmerken van een halfgeleider, kan binnen een bepaald bereik worden aangepast door de samenstelling van het materiaal te manipuleren. Enthousiast over de resultaten, Hoofddocent Antoine Fleurence van JAIST, hoofdauteur van de studie, opmerkingen, "Silicium en germanium zijn elementen die veel worden gebruikt in de halfgeleiderindustrie, en we hebben aangetoond dat het mogelijk is om de bandstructuur van 2-D Si-Ge-legeringen te ontwerpen op een manier die doet denken aan die van bulk (3-D) Si-Ge-legeringen die in verschillende toepassingen worden gebruikt."

De implicaties van dit onderzoek zijn om meerdere redenen belangrijk. Eerst, de ultieme dunheid en flexibiliteit van 2D-materialen is aantrekkelijk voor veel toepassingen omdat het betekent dat ze gemakkelijker kunnen worden geïntegreerd in apparaten voor het dagelijks leven. Tweede, de resultaten kunnen de weg vrijmaken voor een doorbraak in de elektronica. Co-auteur van de studie, Professor Yukiko Yamada-Takamura van JAIST, verklaart, "Halfgeleidende 2D-materialen gemaakt van silicium en germanium met atomair nauwkeurige dikte zouden de afmetingen van de elementaire stenen van elektronische apparaten verder kunnen verkleinen. Dit zou een technologische mijlpaal zijn voor op silicium gebaseerde nanotechnologieën."

Algemeen, deze studie toont slechts enkele voordelen van legeren als een manier om materialen te produceren met meer wenselijke eigenschappen dan die gemaakt van een enkel element of verbinding. Laten we hopen dat halfgeleidende 2D-legeringen verder worden verfijnd, zodat ze in de schijnwerpers kunnen komen te staan ​​in elektronische apparaten van de volgende generatie.