Grafenbasert halvleder har et nyttig båndgap og høy elektronmobilitet – Physics World

Publisert av Platon

Følgere: 0

Epigrafen på en brikke: lagets grafenenhet ble dyrket på et silisiumkarbidsubstrat. (Med tillatelse: Georgia Institute of Technology)

Forskere i Kina og USA har laget en funksjonell halvleder laget av grafen, en bragd som de beskriver som den første. Ved å utvide på eksisterende fabrikasjonsteknikker, Walter de Heer og kolleger ved Tianjin University og Georgia Institute of Technology har skapt et båndgap i 2D-materialet, samtidig som grafenens robuste og lett justerbare egenskaper beholder.

Silisium er ryggraden i moderne halvlederelektronikk. Imidlertid blir de siste silisiumbaserte teknologiene strukket til sine grenser av vår nådeløse etterspørsel etter høyere datahastigheter, lavere strømforbruk og mer kompakte enheter.

I to tiår nå har forskere undersøkt muligheten for at grafen kan være et praktisk alternativ til silisium. Grafen ble først isolert i 2004, og er et ark av karbon bare ett atom tykt. Siden den gang har forskere funnet ut at grafen har en rekke egenskaper som kan gjøre det svært nyttig for elektroniske enheter. Disse inkluderer høy elektronmobilitet; en sterk, lett, svært kompakt struktur; og utmerket varmespredning.

En stor ulempe

Imidlertid har grafen en stor ulempe. I motsetning til konvensjonelle halvledere, mangler grafen et iboende elektronbåndgap. Dette er en energibarriere som elektroner må overvinne for å lede elektrisitet. Det er båndgapet som gjør at elektroniske brytere (transistorer) kan lages av halvledere.

"Et langvarig problem innen grafenelektronikk er at grafen ikke hadde riktig båndgap, og ikke kunne slå seg på og av i riktig forhold," forklarer medforfatter Lei Ma, som var medstifter av Tianjin internasjonale senter for nanopartikler og nanosystemer med de Heer. "I løpet av årene har mange forsøkt å løse dette med en rekke metoder."

Tidligere studier har forsøkt å konstruere passende båndgap ved hjelp av teknikker som kvante innesperring og kjemisk modifisering av ren grafen. Så langt har imidlertid disse tilnærmingene resultert i svært liten suksess.

"Vi måtte lære å behandle [grafen], hvordan vi kunne gjøre det bedre og bedre, og til slutt hvordan vi kunne måle dets egenskaper," forklarer de Heer. – Det tok veldig, veldig lang tid.

Spontan vekst

I sin siste forskning har forskerne for første gang vist hvordan båndgap-halvlederen "epigrafen" kan vokse spontant på overflatene til silisiumkarbidkrystaller.

Tidligere forskning hadde avslørt at ved høye temperaturer sublimerer silisium fra overflatene til disse krystallene, og etterlater seg karbonrike lag. Disse lagene omkrystalliseres til flerlags epigrafen, som har begrensede halvledende egenskaper.

For å utvide denne teknikken, har de Heer og Ma sitt team utviklet en ny utglødningsmetode, der de nøye kontrollerte prøvetemperaturen og hastigheten på epigrafendannelse. De skapte et robust grafenlag som vokser i makroskopiske, atomisk flate terrasser. Dessuten er grafenatomene på linje med gitteret til silisiumkarbidsubstratet.

Nyttig båndgap

Ved å gjøre nøye målinger viste teamet at dette laget er en utmerket 2D-halvleder. Den har det nyttige båndgapet som har unngått forskere i flere tiår, sammen med høy elektronmobilitet.

Grafenbånd fremmer twistronics

"Vi har nå en ekstremt robust grafenhalvleder med 10 ganger mobilitet av silisium, og som også har unike egenskaper som ikke er tilgjengelige i silisium," sier de Heer entusiastisk. Han sammenligner elektronmobilitet i silisium med kjøring på grusvei, mens epigrafen er som en elektronmotorvei. "Det er mer effektivt, det varmes ikke opp så mye, og det gir mulighet for høyere hastigheter slik at elektronene kan bevege seg raskere," forklarer de Heer.

På toppen av denne ytelsen viste teamet også at epigrafenet deres kan dopes med et bredt spekter av atomer og molekyler for å finjustere dets elektroniske og magnetiske egenskaper. Materialet kan også være nanomønstret for å forbedre ytelsen ytterligere - nanomønster er svært vanskelig å gjøre med grafen dyrket på andre underlag.

De Heer, Ma og kollegene deres håper at teknikken deres kan bane vei for en helt ny tilnærming til halvlederproduksjon, og til slutt kan være et avgjørende første skritt mot en ny generasjon grafenbasert elektronikk.

Forskningen er beskrevet i Natur.