De derde dimensie kan verantwoordelijk zijn voor het voorkomen dat elektronica dunner, kleiner en flexibeler wordt, volgens een internationale samenwerking die een manier heeft ontwikkeld om nieuwe, geïdealiseerde tweedimensionale halfgeleidermaterialen te vervaardigen. Ze publiceerden hun aanpak op 3 juni in Nano Research .

De onderzoekers, geleid door Lin Zhou, universitair hoofddocent scheikunde aan de Shanghai Jiao Tong University in China, concentreerden zich op indiumarsenide (InAs), een halfgeleider met smalle bandgap met eigenschappen die nuttig zijn voor hogesnelheidselektronica en zeer gevoelige infraroodfotodetectoren. In tegenstelling tot de meeste bestaande 2D-materialen met gelaagde structuren, is het probleem, zei Zhou, dat InAs typisch een 3D-roosterstructuur heeft, wat het een uitdaging maakt om te transformeren in ultradunne 2D-films voor geavanceerde elektronische en opto-elektronische toepassingen.

"De groei van grote, ultradunne 2D niet-gelaagde materialen was een grote uitdaging, maar een die de moeite waard was om op te lossen. Dankzij de hoge mobiliteit en afstembare bandgap zou 2D InAs een cruciaal materiaal kunnen zijn voor de volgende generatie, hoogwaardige nano-elektronica , nano-fotonica en kwantumapparaten," zei Zhou. "Het heeft de voordelen van zowel InAs, zoals hoge draaggolfmobiliteit, kleine en directe bandgap-afmetingen, en 2D-materialen, die ultradun van aard zijn en geschikt zijn voor kleine apparaten, zijn flexibel en transparant." Dit werk biedt ook een veelbelovende manier om de groep 2D-halfgeleiders verder uit te breiden door materialen met niet-gelaagde structuren op te nemen.

De onderzoekers maakten gebruik van een zwakke atomaire aantrekkingskracht die bekend staat als de van der Waals-kracht in epitaxiegroei. De kracht beschrijft hoe neutrale moleculen met elkaar kunnen verbinden, terwijl epitaxie het aanbrengen van een overlay van één materiaal op een kristalachtig substraat inhoudt. Met behulp van atomair vlak mica, dat van nature gelaagd is, als substraat, kweekten de onderzoekers een dunne laag InAs. De moleculen in het micasubstraat en de moleculen in de InAs worden onderling voldoende aangetrokken om te verbinden, waardoor de InAs niet kunnen uitgroeien tot een 3D-rooster. Bovendien zorgt de van der Waals-groei voor spanningsvrije en geen misfit-dislocaties in as-grown 2D InAs. De InAs kan ongelooflijk dun zijn met gewenste eigenschappen.

Zhou merkte ook op dat de InAs en het substraat niet covalent binden, zodat ze kunnen worden gescheiden en het substraat opnieuw kan worden gebruikt, waardoor het syntheseproces kosteneffectiever wordt.

"We ontdekten ook dat we de eigenschappen van 2D InAs kunnen afstemmen door de dikte van het materiaal te veranderen vanwege het kwantumbeperkende effect," zei Zhou. "De 2D InAs is eenvoudig aan te passen om de gewenste eigenschappen te bereiken en om te integreren met andere verbindingen. Naast het manipuleren van de dikte tijdens de synthese, kunnen we 2D InAs ook stapelen met andere 2D-materialen om heterojuncties te vormen voor multifunctionele prestaties, waardoor ze aanzienlijke voordelen hebben in elektronica en fotovoltaïsche energie."

Het uiteindelijke 2D InAs-materiaal heeft de vorm van driehoekige vlokken van ongeveer vijf nanometer dik. Dat is ongeveer 0,0007 de grootte van een enkele rode bloedcel. Hoe kleiner het materiaal, hoe kleiner de apparaten die het uiteindelijk zal bevatten, zei Zhou.

"Voorafgaand aan dit werk was er geen 2D van hoge kwaliteit - dat wil zeggen minder dan 10 nanometer dik - InAs gerapporteerd, laat staan ​​een schaalbare synthese van 2D InAs-eenkristallen met unieke optische en elektronische eigenschappen," zei Zhou. "Ons werk maakt de weg vrij voor miniaturisatie van op InAs gebaseerde apparaten en integraties."

Vervolgens zei Zhou dat het team nieuwe 2D-halfgeleiders zal onderzoeken om te groeien met als uiteindelijk doel schaalbare synthese van hoogwaardige 2D-materialen over grote gebieden voor multifunctionele toepassingen. + Verder verkennen

Studie van indiumarsenide effent de weg naar kleinere, krachtigere elektronica