Defecte verwijdering van 2D-halfgeleiderkristallen: het vangen van zuurstofmoleculen biedt meer controle

Een onderzoek naar zuurstofmoleculen die interageren met atomair dunne materiaallagen die worden ontwikkeld als nieuwe generaties halfgeleiders zou de controle over de fabricage en toepassingen van deze tweedimensionale (2D) materialen aanzienlijk kunnen verbeteren.

Het werk van onderzoekers van het Daegu Gyeongbuk Instituut voor Wetenschap en Technologie (DGIST), in Zuid-Korea, met collega’s elders in Zuid-Korea en Japan, is gepubliceerd in het journaal Geavanceerde wetenschap.

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 nano-elektronica-niveau kunnen verplaatsen, 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 geadsorbeerd te worden op de defectplaatsen 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 analyse en theoretische berekeningen.

De onderzoekers besteedden bijzondere aandacht 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 te beheersen”, 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 om de methode gereed te maken voor volledige ontwikkeling en eventueel commercieel gebruik.”