Aanpassing van de samenstelling en eigenschappen van halfgeleidende 2-D-legeringen

Halfgeleidende 2-D-legeringen kunnen de sleutel zijn om de technische beperkingen van moderne elektronica te overwinnen. Hoewel 2-D Si – Ge-legeringen voor dit doel interessante eigenschappen zouden hebben, werden ze alleen theoretisch voorspeld. Nu hebben wetenschappers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology 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, wat 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. Tegenwoordig zijn legeringsmaterialen met vergelijkbare structuren en compatibele elementen essentieel omdat het ons in staat stelt om de eigenschappen van de uiteindelijke legering af te stemmen op onze behoeften.

De veelzijdigheid die het legeren biedt, strekt zich natuurlijk uit tot de elektronica. Halfgeleiderlegeringen zijn een gebied van actief onderzoek omdat er nieuwe materialen nodig zijn om de bouwstenen van elektronische apparaten (transistors) opnieuw te ontwerpen; in dit opzicht worden tweedimensionale (2-D) halfgeleiderlegeringen gezien als een veelbelovende optie om de technische beperkingen van moderne elektronica te doorbreken. Helaas leent grafeen, het op koolstof gebaseerde poster-kind voor 2D-materialen, zich niet gemakkelijk voor legeringen, waardoor het buiten beschouwing blijft.

Er is echter een aantrekkelijk alternatief: siliceen. Dit materiaal is volledig samengesteld uit silicium (Si) atomen gerangschikt in een 2-D honingraatachtige structuur die doet denken aan grafeen. Als de eigenschappen van siliceen naar behoefte zouden kunnen worden afgestemd, zou het veld van 2-D op silicium gebaseerde nano-elektronica een grote vlucht nemen. Hoewel theoretisch werd voorspeld dat het legeren van siliceen met germanium (Ge) stabiele 2D-structuren zou opleveren met eigenschappen die kunnen worden afgestemd op de Si tot Ge-verhouding, is dit in de praktijk nooit gerealiseerd.

Nu heeft een team van wetenschappers van Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) experimenteel een nieuwe manier gedemonstreerd 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 lieten de wetenschappers een enkele laag 2-D siliceen groeien op een dunne film van zirkoniumdiboride (ZrB2) gegroeid op een siliciumsubstraat door de oppervlaktesegregatie van Si-atomen die kristalliseren in een 2-D honingraatachtige structuur. Deze siliceenlaag was echter niet perfect vlak; een zesde van alle Si-atomen was iets hoger dan de rest en vormden periodieke bultjes of ‘uitsteeksels’.

Vervolgens werden Ge-atomen afgezet op de siliceenlaag onder ultrahoog vacuüm. Interessant is dat zowel theoretische berekeningen als experimentele observaties 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, kon een Si-Ge-legering met een gewenste Si tot Ge-verhouding worden geproduceerd. De samenstelling van het uiteindelijke materiaal zou dus Si6 − xGex zijn, waarbij x elk 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, binnen een bepaald bereik kon worden aangepast door de samenstelling van het materiaal te manipuleren. Opgewonden over de resultaten merkt hoofddocent Antoine Fleurence van JAIST, hoofdauteur van de studie, op: “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 op een manier die doet denken aan die voor bulk (3-D) Si – Ge legeringen die in verschillende toepassingen worden gebruikt. “

De implicaties van deze studie zijn om meerdere redenen belangrijk. Ten eerste is de ultieme dunheid en flexibiliteit van 2-D-materialen aantrekkelijk voor veel toepassingen, omdat het betekent dat ze gemakkelijker kunnen worden geïntegreerd in apparaten voor het dagelijks leven. Ten tweede zouden de resultaten de weg kunnen effenen voor een doorbraak in de elektronica. Co-auteur van de studie, professor Yukiko Yamada-Takamura van JAIST, legt uit: “Halfgeleidende 2-D-materialen gemaakt van silicium en germanium met atomair nauwkeurige dikte zouden de afmetingen van de elementaire stenen van elektronische apparaten verder kunnen verkleinen. technologische mijlpaal voor op silicium gebaseerde nanotechnologieën. “

Al met al laat deze studie maar een paar voordelen zien van legering 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 2-D-legeringen verder worden verfijnd, zodat ze in de schijnwerpers kunnen komen te staan ​​in de volgende generatie elektronische apparaten.