Onderzoekers gebruiken Tellurium om 2D-halfgeleiders te fabriceren, een stap in de richting van een toekomst waar Atom-Thick Electronics snelheid, efficiëntie en veelzijdigheid opnieuw definiëren.https: //pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c14865. Credit: Carnegie Mellon College of Engineering
Een groep onderzoekers van Carnegie Mellon University hebben onlangs een methode bedacht waarmee ze grote hoeveelheden materiaal kunnen creëren dat nodig is om tweedimensionale (2D) halfgeleiders te maken met recordhoge prestaties. Hun papiergepubliceerd in ACS -toegepaste materialen en interfaces Eind december 2024 zou kunnen leiden tot efficiëntere en instelbare fotodetectoren, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor de volgende generatie lichtgevoelige en multifunctionele opto-elektronische apparaten.
“Semiconductoren zijn de belangrijkste technologie voor het activeren van de elektronica van vandaag, van laptops tot smartphones tot AI -applicaties,” zei Xu Zhang, universitair docent elektrische en computertechniek. “Ze regelen de stroom van elektriciteit en werken als een brug tussen geleiders (waardoor elektriciteit vrij kan stromen) en isolatoren (die het blokkeren).”
De onderzoeksgroep van Zhang wilde een bepaald soort fotodetector ontwikkelen, een apparaat dat licht kan detecteren en dat in verschillende toepassingen kan worden gebruikt. Om deze fotodetector te maken, moest de groep materialen gebruiken die een atoombreedte waren, of zo dicht bij 2D als mogelijk is.
De huidige halfgeleiderindustrie is sterk afhankelijk van CMOS-technologie (complementaire metaal-oxide-halfgeleider), die twee soorten halfgeleidersmaterialen gebruikt om energie-efficiënte elektronische circuits mogelijk te maken, P-type (of “positief type”) en N-type (of “negatieve type”) materialen.
“Het maken van een goede P-type halfgeleider is niet alleen belangrijk voor dit fotodetectorwerk, het is fundamenteel belangrijk voor bijna alle elektronica,” zei Zhang.
Hoewel er veel soorten 2D N-type materialen beschikbaar zijn, zijn 2D P-type materialen zeldzamer-tot nu toe. CMU-onderzoekers zoeken een krachtig nieuw P-type halfgeleidermateriaal, dat een kritisch knelpunt op het gebied van ultradunne elektronica zou kunnen oplossen.
Gelukkig kenden ze wel een passend materiaal: Tellurium. Tellurium is het 52e element op het periodiek systeem, gelegen in groep 16 enkele periodes (rijen) onder zuurstof. Het is een geleidende metalloïde, maar vooral, het werkt als een P-type materiaal.
(a) Optisch beeld van de as-gefabriceerde vierpunts TE FET. (b) AFM -scanning beeld van de te fet. (c) AFM -hoogteprofiel van het tet FET -kanaal (langs een witte stippellijn). (d) I – V -overdrachtscurve van de TE FET (met behulp van de twee elektroden in het midden als bron- en afvoercontacten, VDs = 0,5 V) in zowel lineaire (blauwe lijn) als logaritmische (rode lijn) schalen. (E) Gemeten veldeffectmobiliteit van de TE FET, benchmarked met gerapporteerde P-type 2D halfgeleiders en CNT. (f) Schema van de te-mos2 van der Waals PN op heterojunctie gebaseerde fotodiode. (g) SEM-afbeelding van één representatieve te-mos2 heterojunctie diode. De vorm van de mos2 Flake wordt aangegeven door de witte stippellijn. (h) gemeten kanaalstroom iD (op een logaritmische schaal) als een functie van kanaalvooroordeel VD bij verschillende poortspanningen. (i) Berekende rectificatieverhouding als functie van poortspanning VG bij VD = 2 V. Credit: ACS -toegepaste materialen en interfaces (2024). Doi: 10.1021/acsami.4c14865
Nog beter, van de materialen die ze testten, had 2D Tellurium de hoogste mobiliteit, of snelst geleidende snelheid, bij 1450 cm2/VS, wat betekent dat apparaten die ermee zijn gebouwd extreem snel kunnen werken. Het is ook veel stabieler in de lucht dan het leidende alternatief, zwarte fosfor, dus het is niet gemakkelijk af te breken en blijft snel en efficiënt langer.
“Deze fysieke dampafzetting groei Tellurium verrijkt de 2D Semiconductor Material Family enorm”, zegt Tianyi Huang, afgestudeerde student in werktuigbouwkunde en eerste auteur van de krant.
“De p-type eigenschap en uitstekende elektrische prestaties maakten het een sterke kandidaat in verschillende potentiële toepassingen zoals high-speed CMOS-circuits, hoogfrequente RF [radio frequency] Circuits, fotodetectors, energieopvang, enzovoort. “
Naast het ultralichtgewicht van het apparaat, is de met Tellurium-compatibele fotodetector zeer instelbaar, waardoor zijn parameters kunnen worden gewijzigd, zodat deze in verschillende toepassingen kan worden gebruikt, een eigenschap die niet waar is voor andere fotodetectors. De onderzoekers kijken ernaar uit om dit werk verder te ontwikkelen om de grenzen en de beste applicaties te vinden.
Dit interdisciplinaire werk werd gedaan door nauwe samenwerking met Sheng Shen, professor werktuigbouwkunde en zijn groep.
“Met zijn unieke eigenschappen is het 2D P-type Tellurium veel belofte voor toepassingen in fotodetectie en elektronica. We zijn verheugd om het potentieel in de nabije toekomst verder te verkennen,” zei Shen.
Terwijl onderzoekers de grenzen van 2D-materialen blijven verleggen, markeert deze ontdekking een belangrijke stap in de richting van een toekomst waar atoomdikke elektronica snelheid, efficiëntie en veelzijdigheid opnieuw definiëren.
Meer informatie:
Tianyi Huang et al, fysieke dampafzetting van p-type tellurium met hoge mobiliteit en zijn toepassingen voor poort-aan-aanbesteding van der Waals pn fotodioden, ACS -toegepaste materialen en interfaces (2024). Doi: 10.1021/acsami.4c14865
Dagboekinformatie:
ACS -toegepaste materialen en interfaces
Geboden door Carnegie Mellon University Electrical and Computer Engineering
