Nieuw halfgeleidend borofeen maakt de weg vrij voor de lichtste hoogwaardige transistor

In het jaar 1808 ontdekten de Franse chemici Joseph-Louis Gay-Lussac en Louis-Jacques Thenard, en onafhankelijk de Engelse chemicus Humphry Davy, het vijfde element van het periodiek systeem: boor. In kristallijne vorm bezit boor voornamelijk drie polymorfen, dwz drie verschillende eenheidscelconfiguraties: α-rhombohedraal, β-rhombohedraal en β-tetragonaal, onder 16 mogelijke bulk allotropen.

De unieke eigenschappen van dit element hebben geresulteerd in het gebruik ervan in tal van toepassingen, waaronder chemie, materiaalkunde, biowetenschappen, energieonderzoek en elektronica. Bovendien, op basis van onderzoeken die de afgelopen tien jaar zijn uitgevoerd, heeft boor een aanzienlijk potentieel voor gebruik bij het ontwerpen van farmaceutische geneesmiddelen, aangezien het een essentiële rol speelt bij botgroei en -onderhoud, wondgenezing, preventie van vitamine D-tekort en andere processen.

In het periodiek systeem der elementen ligt boor links van koolstof, waardoor boor vergelijkbare valentie-orbitalen heeft, maar een kortere covalente straal. In tegenstelling tot koolstof, dat de voorkeur geeft aan een 2D (tweedimensionale) gelaagde structuur (ook bekend als grafiet) in zijn bulkvorm, zijn de bulkallotropen van boor samengesteld uit B₁₂ icosahedrale kooien. Als gevolg hiervan was het tot 2015 een uitdaging om experimenteel een 2D-atoomnetwerk van boor, ook wel borofeen genoemd, te realiseren.

Aanvankelijk was een van de onderliggende redenen voor beperkt experimenteel onderzoek van 2D-boorplaten het gebruik van kostbare en giftige voorlopers, bijvoorbeeld diboraan. Later werden atomair dunne borofeenvellen gekweekt onder ultrahoogvacuümomstandigheden met behulp van een vaste atoombron van boor met een zuiverheid van 99,9999% om de moeilijkheden veroorzaakt door giftige voorlopers te omzeilen.

Onlangs heeft borofeen enorme aandacht getrokken vanwege zijn ultralage molaire massa. In tegenstelling tot grafeen heeft borofeen verschillende polymorfen, zoals gestreept, β₁₂X₃, en honingraat, en tot nu toe bleken ze allemaal van metaal te zijn. Boor in bulk is echter halfgeleidend. Natuurlijk willen onderzoekers de halfgeleidende 2D-fase van boor verkennen.

Halfgeleiders spelen een cruciale rol bij het ontwerp van transistors en geïntegreerde schakelingen die daarmee zijn gebouwd. Het gebruik van silicium als halfgeleidend basismateriaal in een transistor heeft een revolutie teweeggebracht in de elektronica-industrie. Na verloop van tijd heeft het verkleinen van de grootte van de transistor het voor ingenieurs mogelijk gemaakt om miljoenen transistors in een oppervlakte-eenheid van siliciumwafer te verpakken.

Onderzoekers voorspellen echter dat de downscaling van de siliciumtechnologie de komende jaren zijn bottleneck zal bereiken. Daarom moet de halfgeleiderindustrie 2D-materialen verkennen als alternatief voor silicium, aangezien onderzoekers verklaren dat 2D-materialen een optimale elektrostatische integriteit voor transistors kunnen bieden.

Na de ontdekking van grafeen in 2004 zijn een dozijn 2D-halfgeleiders (bijvoorbeeld germanaan, tellureen, fosforenen, enz.) experimenteel onderzocht voor toepassing in transistorkanalen. Het experimenteel verkennen van 2D-materialen vanuit hun oneindige ruimte is echter onhaalbaar. Daarom is er, met de vooruitgang in computationele wetenschap en technologie, veel vraag naar de ontdekking van het relevante transistormateriaal uit de enorme 2D-materiaalruimte.

Tot nu toe vertonen de gerapporteerde halfgeleidende fasen van borofeen kleine bandafstanden, waardoor ze ongeschikt zijn als materiaal voor transistorkanalen. In ons werk hebben we een hypergecoördineerd 2D-netwerk van booratomen ontdekt, genaamd geclusterd-P1-borofeen. Het toont een grote siliciumachtige bandafstand, maar lagere en symmetrische effectieve massa’s langs de transportrichting.

In ons recente werk, dat is gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces (“Discovery of Clustered-P1 borophene and Its Application as the Lightest High-Performance Transistor”), beginnen we de studie met een op eerste principes gebaseerde zoektocht naar de 2D-ruimte van boor, met behulp van een evolutionair algoritme. Het levert de uitzonderlijke halfgeleidende borofeenfase op, geclusterd-p1 borofeen, die een totale energie vertoont die dicht bij het globale minimum van alle borofeenfasen ligt.

Daarna hebben we de prestatiekenmerken voorspeld van conventionele MOSFET’s (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors) geïmplementeerd met geclusterd-P1-borofeen voor kanaallengtes van 10 nm tot 3 nm. We hebben dit werk uitgevoerd met behulp van een interne, op GPU gebaseerde, zelfconsistente kwantumtransportsimulator. Er is vastgesteld dat de prestaties van deze MOSFET’s voldoen aan de IRDS-vereisten (internationale roadmap voor apparaten en systemen) voor verschillende benchmarkstatistieken.

Het geclusterde p1-borofeen vertoont opmerkelijke thermodynamische, structurele en dynamische stabiliteit. Zoals aangetoond in ons werk, is het opmerkelijk dat zelfs een transistor met een kanaallengte van 3 nm 10 kan leveren⁴ AAN-naar-UIT stroomverhouding. Aan de andere kant maakt de gebalanceerde werking van n- en p-type MOSFET’s het geschikt voor CMOS-circuitprestaties (complementary metal-oxide semiconductor). Met deze gunstige resultaten in gedachten, hebben we voorspeld dat de geclusterde P1-borofeen-MOSFET kan leiden tot een goede optie voor mogelijk de lichtste hoogwaardige transistor.

Dit verhaal is een onderdeel van Dialoogvenster Wetenschap Xwaar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over ScienceX Dialog en hoe u kunt deelnemen.