Tweedimensionale (2D) halfgeleiders hebben een unieke eigenschap waardoor hun dikte kan worden teruggebracht tot één of enkele atomen. transistor voortijdig.

Ondanks het potentieel dat 2D-halfgeleiders hebben om in de toekomst conventionele halfgeleidende materialen zoals silicium te vervangen, blijft er één belangrijke uitdaging bestaan:hun lage dragermobiliteit bij kamertemperatuur, veroorzaakt door sterke verstrooiing tussen elektronen en fononen.

De weg- en verkeersomstandigheden bepalen de hoeveelheid tijd en energie die een persoon besteedt aan het reizen van de ene naar de andere locatie. Op een vergelijkbare manier meet dragermobiliteit hoe snel een drager, zoals een elektron of een gat, door een materiaal kan bewegen als er een elektrisch veld is. Deze eigenschap bepaalt ook of een halfgeleidend materiaal geschikt is voor elektronische apparaten.

Een hoge draaggolfmobiliteit kan de vermogensdissipatie in geïntegreerde schakelingen effectief verminderen en het totale stroomverbruik verlagen, waardoor de levensduur van elektrische apparaten of systemen wordt verlengd en de kosten van het gebruik van deze apparaten of systemen worden verlaagd.

Onderzoekers van het Agency for Science, Technology and Research's (A*STAR) Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), Fudan University, National University of Singapore en The Hong Kong Polytechnic University hebben onlangs ontdekt dat het plaatsen van 2D-materialen op substraten met uitpuilende morfologieën kan de mobiliteit van dragers bij kamertemperatuur met twee orden verbeteren. Deze uitstulpingen veroorzaken rimpelingen in het materiaal, waardoor de roosterstructuur wordt vervormd, waardoor een of meer atomen van hun oorspronkelijke positie in een ideale structuur worden verplaatst.

Deze benadering staat in contrast met conventionele strategieën die vertrouwen op perfecte roosterstructuren om de mobiliteit van de drager te verbeteren, aangezien wordt aangenomen dat elke vorm van onzuiverheid of roostervervorming de mobiliteit nadelig beïnvloedt.

In een studie gepubliceerd in Nature Electronics in juni 2022 zagen onderzoekers dat gegolfd 2D molybdeendisulfide (MoS₂ ) met roostervervormingen creëren een grotere elektrische polarisatie die de frequentie van fononen kan renormaliseren. Deze gerenormaliseerde fononfrequentie vermindert effectief de sterkte van verstrooiing tussen elektronen en fononen, waardoor de mobiliteit van dragers in MoS₂ toeneemt . Dit betekent dat elektronen nu sneller door het materiaal kunnen bewegen.

Onderzoeksresultaten tonen aan dat de mobiliteit van dragers bij kamertemperatuur wordt verbeterd door twee orden in gerimpelde MoS₂ , tot ongeveer 900 cm ² V ^-1 s ^-1 . Het waargenomen resultaat overschrijdt de voorspelde fonon-beperkte draaggolfmobiliteit van vlakke MoS₂ van 200–410 cm ² V ^-1 s ^-1 .

Door de studie, het creëren van uitstulpingen in de roosterstructuur van MoS₂ bleek de intrinsieke dragermobiliteitslimiet van het materiaal te overwinnen. Dit maakt de weg vrij voor MoS₂ en andere 2D-materialen die kunnen worden gebruikt bij het maken van veldeffecttransistors en thermo-elektrische apparaten met concurrerende prestaties bij kamertemperatuur.

"Onze aanpak is eenvoudig en kosteneffectief en demonstreert roostertechniek als een effectieve strategie om hoogwaardige elektronica op kamertemperatuur en thermo-elektrische apparaten voor toekomstige elektronica te creëren", zegt Dr. Wu Jing, wetenschapper bij IMRE van A*STAR.

"We onthullen verder het onderliggende mechanisme dat de verbeterde mobiliteit van de drager te wijten is aan de onderdrukte elektron-fononverstrooiing en de verhoogde intrinsieke diëlektrische constante die wordt veroorzaakt door de gegolfde structuren in de 2D-halfgeleider. Beide spelen synergetische effecten om de intrinsieke mobiliteit van de drager te vergroten." zei Dr. Yang Ming, assistent-professor aan de afdeling Toegepaste Natuurkunde, de Hong Kong Polytechnic University. + Verder verkennen

Roostervervormingen gebruiken om de mobiliteit van dragers in 2D-halfgeleiders te verbeteren