Wetenschap
Defecte verwijdering van 2D-halfgeleiderkristallen:het vangen van zuurstofmoleculen biedt meer controle
Een onderzoek naar zuurstofmoleculen die interageren met atomair dunne materiaallagen die wordt ontwikkeld als nieuwe generaties halfgeleiders zou de controle over de fabricage en toepassingen van deze tweedimensionale (2D) materialen aanzienlijk kunnen verbeteren.
Het werk, door onderzoekers van het Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), in Zuid-Korea, met collega's elders in Zuid-Korea en Japan, is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science .
De enkele laag gebonden atomen waaruit 2D-materialen bestaan, kan halfgeleidende eigenschappen hebben die geschikt zijn voor het maken van elektronische componenten, waaronder transistors, op veel kleinere schaal dan doorgaans mogelijk is. Dit zou de micro-elektronica naar het niveau van de nano-elektronica kunnen brengen, waardoor kleine en efficiëntere circuits kunnen worden gebouwd, inclusief flexibele apparaten en zonnecellen.
Enkele van de meest veelbelovende 2D-materialen zijn overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's), die elementen bevatten uit de overgangsmetaalgroepen van het periodiek systeem gecombineerd met tweemaal zoveel chalcogeenelementen, vooral zwavel, selenium en tellurium. Het DGIST-team en hun collega's werkten met monolaag TMD-kristallen van wolfraam en zwavel, met de formule WS2 .
Ze onderzochten de neiging van zuurstofmoleculen om te worden geadsorbeerd op de defectlocaties van kristallen:zwavelvacatures waar een zwavelatoom ontbreekt in WS2 roostersites. Ze onderzochten de interacties tussen de defecten en zuurstofmoleculen met een techniek genaamd elektronen-energieverliesspectroscopie (EELS).
Hierbij wordt gebruik gemaakt van een elektronenmicroscoop om elektronen door het materiaal te schieten en vervolgens de patronen van energieverlies door de elektronen te analyseren om cruciale structurele informatie te onthullen. De EELS-resultaten werden gecombineerd met inzichten uit optische analyses en theoretische berekeningen.
De onderzoekers hebben bijzondere aandacht besteed aan het vermogen van geadsorbeerde zuurstofmoleculen om op hun plaats te blijven zitten wanneer de WS2 kristallen werden ingekapseld in monolagen van een ander materiaal (hexagonaal boornitride (h-BN)) boven en onder de WS2 laag. h-BN is een veelgebruikt ingrediënt van elektronische en fotonische apparaten die zijn gebouwd met behulp van 2D TMD's.
Het fixeren van de zuurstofmoleculen op de defectlocaties verandert en stabiliseert het elektronische gedrag van de TMD's in een proces dat passivatie wordt genoemd. Dit beïnvloedt de kristallen op subtiele manieren die hun activiteit in een reeks toepassingen zullen beïnvloeden.
"Ons werk biedt een nieuw inzicht in de defectgerelateerde verschijnselen in 2D TMD's, die kunnen leiden tot revolutionaire benaderingen om de defecttoestanden onder controle te houden", zegt halfgeleider- en nanofotonica-specialist prof. Chang-Hee Cho van het DGIST-team.
"We hopen nu nieuwe experimentele benaderingen en technieken te ontwikkelen om de defecttoestanden van de 2D TMD's te beheersen met behulp van h-BN-inkapseling", voegt Cho toe. "Dit zal ons in staat stellen de methode gereed te maken voor volledige ontwikkeling en eventueel commercieel gebruik."