Grafenbaserad halvledare har ett användbart bandgap och hög elektronrörlighet – Physics World

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Epigrafen på ett chip: lagets grafenenhet odlades på ett kiselkarbidsubstrat. (Med tillstånd: Georgia Institute of Technology)

Forskare i Kina och USA har skapat en funktionell halvledare gjord av grafen, en bedrift som de beskriver som en första. Genom att expandera på befintliga tillverkningstekniker, Walter de Heer och kollegor vid Tianjin University och Georgia Institute of Technology har skapat ett bandgap i 2D-materialet, samtidigt som grafenens robusta och lättjusterbara egenskaper bibehålls.

Kisel är ryggraden i modern halvledarelektronik. Men den senaste kiselbaserade tekniken sträcks till sina gränser av vårt obevekliga krav på högre datorhastigheter, lägre strömförbrukning och mer kompakta enheter.

I två decennier nu har forskare undersökt möjligheten att grafen kan vara ett praktiskt alternativ till kisel. Grafen isolerades först 2004 och är ett ark av kol som bara är en atom tjockt. Sedan dess har forskare funnit att grafen har ett antal egenskaper som kan göra det mycket användbart för elektroniska enheter. Dessa inkluderar hög elektronrörlighet; en stark, lätt, mycket kompakt struktur; och utmärkt värmeavledning.

En stor nackdel

Men grafen har en stor nackdel. Till skillnad från konventionella halvledare saknar grafen ett inneboende elektronbandgap. Detta är en energibarriär som elektroner måste övervinna för att leda elektricitet. Det är bandgapet som gör att elektroniska switchar (transistorer) kan tillverkas av halvledare.

"Ett långvarigt problem inom grafenelektronik är att grafen inte hade rätt bandgap och inte kunde slås på och av i rätt förhållande", förklarar medförfattaren Lei Ma, som var med och grundade Tianjins internationella centrum för nanopartiklar och nanosystem med de Heer. "Under åren har många försökt ta itu med detta med en mängd olika metoder."

Tidigare studier har försökt skapa lämpliga bandgap med hjälp av tekniker som kvantinneslutning och kemisk modifiering av ren grafen. Hittills har dock dessa tillvägagångssätt resulterat i mycket liten framgång.

"Vi var tvungna att lära oss hur man behandlar [grafen], hur man gör det bättre och bättre, och slutligen hur man mäter dess egenskaper," förklarar de Heer. – Det tog väldigt, väldigt lång tid.

Spontan tillväxt

I sin senaste forskning har forskarna för första gången visat hur bandgap-halvledaren "epigrafen" kan växa spontant på ytorna av kiselkarbidkristaller.

Tidigare forskning hade visat att vid höga temperaturer sublimerar kisel från ytorna på dessa kristaller och lämnar efter sig kolrika lager. Dessa lager omkristalliseras till flerlagers epigrafen, som har begränsade halvledande egenskaper.

De Heer och Ma's team har utvecklat en ny härdningsmetod, där de noggrant kontrollerade provets temperatur och hastigheten för epigrafenbildning. De skapade ett robust grafenlager som växer i makroskopiska, atomärt platta terrasser. Vad mer är, grafenatomerna är i linje med gittret på kiselkarbidsubstratet.

Användbart bandgap

Genom att göra noggranna mätningar visade teamet att detta lager är en utmärkt 2D-halvledare. Den har det användbara bandgap som har gäckat forskare i årtionden, tillsammans med hög elektronrörlighet.

Grafenband förstärker twistronics

"Vi har nu en extremt robust grafenhalvledare med 10 gånger rörligheten av kisel, och som dessutom har unika egenskaper som inte är tillgängliga i kisel", entusiasmerar de Heer. Han jämför elektronrörlighet i kisel med att köra på en grusväg, medan epigrafen är som en elektronmotorväg. "Det är mer effektivt, det värms inte upp lika mycket och det möjliggör högre hastigheter så att elektronerna kan röra sig snabbare", förklarar de Heer.

Utöver denna prestation visade teamet också att deras epigrafen kan dopas med ett brett utbud av atomer och molekyler för att finjustera dess elektroniska och magnetiska egenskaper. Materialet kan också nanomönster för att ytterligare förbättra dess prestanda ytterligare - nanomönster är mycket svårt att göra med grafen som odlas på andra substrat.

De Heer, Ma och deras kollegor hoppas att deras teknik kan bana väg för ett helt nytt tillvägagångssätt för halvledartillverkning, och i slutändan kan bli ett avgörande första steg mot en ny generation grafenbaserad elektronik.

Forskningen beskrivs i Natur.