Gương, gương, ai là chất bán dẫn hiệu quả nhất trong số chúng?

Gương, gương, ai là chất bán dẫn hiệu quả nhất trong số chúng?

Dấu thời gian: 9:2023 PM ngày 3 tháng 08 năm XNUMX
Nút nguồn: 2814824
09/2023/XNUMX (Tin tức Nanowerk) Thế hệ tiếp theo của vật liệu bán dẫn 2D không giống như những gì nó nhìn thấy khi soi gương. Các phương pháp tổng hợp hiện tại để tạo ra các tấm nano một lớp của vật liệu bán dẫn cho các thiết bị điện tử mỏng ở cấp độ nguyên tử phát triển một khiếm khuyết “song sinh gương” đặc biệt khi vật liệu này được lắng đọng trên các chất nền đơn tinh thể như sapphire. Tấm nano được tổng hợp chứa các ranh giới hạt hoạt động như một tấm gương, với sự sắp xếp của các nguyên tử ở mỗi bên được tổ chức theo hướng phản xạ đối lập với nhau. Đây là một vấn đề, theo các nhà nghiên cứu từ Nền tảng đổi mới vật liệu tinh thể hai chiều của Penn State (2DCC-MIP) và các cộng tác viên của họ. Các electron phân tán khi chúng chạm vào ranh giới, làm giảm hiệu suất của các thiết bị như bóng bán dẫn. Các nhà nghiên cứu cho biết đây là nút cổ chai đối với sự tiến bộ của thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo cho các ứng dụng như Internet of Things và trí tuệ nhân tạo. Nhưng giờ đây, nhóm nghiên cứu có thể đã đưa ra giải pháp để khắc phục khiếm khuyết này. các bước ở quy mô nguyên tử trên đế sapphire cho phép căn chỉnh tinh thể của vật liệu 2D trong quá trình chế tạo chất bán dẫn Một nhóm các nhà nghiên cứu do Penn State dẫn đầu đã phát hiện ra rằng các bước ở quy mô nguyên tử trên chất nền sapphire cho phép căn chỉnh tinh thể của vật liệu 2D trong quá trình chế tạo chất bán dẫn. Thao tác với các vật liệu này trong quá trình tổng hợp có thể làm giảm các khuyết tật và cải thiện hiệu suất của thiết bị điện tử. (Hình ảnh: Jennifer McCann, Penn State) Họ xuất bản tác phẩm của mình trên Công nghệ nano tự nhiên (“Kỹ thuật từng bước để tạo mầm và kiểm soát hướng miền trong WSe2 epitaxy trên sapphire mặt phẳng c”). Theo tác giả chính Joan Redwing, giám đốc của 2DCC-MIP, nghiên cứu này có thể có tác động đáng kể đến nghiên cứu chất bán dẫn bằng cách cho phép các nhà nghiên cứu khác giảm các khiếm khuyết song sinh gương, đặc biệt là khi lĩnh vực này đã thu hút được sự chú ý và tài trợ từ Đạo luật Khoa học và CHIPS được phê duyệt lần trước. năm. Sự cho phép của luật này đã tăng cường tài trợ và các nguồn lực khác để thúc đẩy nỗ lực của Hoa Kỳ trong việc sản xuất và phát triển công nghệ bán dẫn. Theo Redwing, một tấm vonfram diselenua một lớp - chỉ dày ba nguyên tử - sẽ tạo ra một chất bán dẫn mỏng ở mức nguyên tử, hiệu quả cao để kiểm soát và điều khiển dòng điện. Để tạo ra tấm nano, các nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD), một công nghệ sản xuất chất bán dẫn được sử dụng để lắng đọng các lớp đơn tinh thể siêu mỏng lên một chất nền, trong trường hợp này là một tấm wafer sapphire. Redwing cho biết, trong khi MOCVD được sử dụng để tổng hợp các vật liệu khác, các nhà nghiên cứu 2DCC-MIP đã đi tiên phong trong việc sử dụng nó để tổng hợp các chất bán dẫn 2D như vonfram diselenua. Vonfram diselenua thuộc về một loại vật liệu gọi là dichalcogenua kim loại chuyển tiếp dày ba nguyên tử, với kim loại vonfram được kẹp giữa các nguyên tử selenua phi kim loại, thể hiện các đặc tính bán dẫn mong muốn cho các thiết bị điện tử tiên tiến. “Để đạt được các tấm một lớp với mức độ tinh thể hoàn hảo cao, chúng tôi đã sử dụng các tấm sapphire làm khuôn mẫu để căn chỉnh các tinh thể vonfram diselenua khi chúng lắng đọng bằng MOCVD trên bề mặt tấm bán dẫn,” Redwing, đồng thời là giáo sư nổi tiếng về vật liệu cho biết khoa học và kỹ thuật và kỹ thuật điện tại Penn State. “Tuy nhiên, các tinh thể vonfram diselenua có thể sắp xếp theo các hướng ngược nhau trên đế sapphire. Khi các tinh thể định hướng ngược nhau phát triển về kích thước lớn hơn, cuối cùng chúng sẽ gặp nhau trên bề mặt sapphire để tạo thành ranh giới đôi gương.” Để giải quyết vấn đề này và làm cho hầu hết các tinh thể vonfram diselenua thẳng hàng với các tinh thể sapphire, các nhà nghiên cứu đã tận dụng các “bước” trên bề mặt sapphire. Tinh thể đơn sapphire tạo nên tấm wafer rất hoàn hảo về mặt vật lý; tuy nhiên, nó không phẳng hoàn toàn ở cấp độ nguyên tử. Có những bậc thang trên bề mặt chỉ cao bằng một hoặc hai nguyên tử với các vùng phẳng giữa mỗi bậc thang. Tại đây, Redwing cho biết, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy nguồn gốc đáng ngờ của lỗi gương. Bậc thang trên bề mặt tinh thể sapphire là nơi các tinh thể vonfram diselenua có xu hướng gắn vào, nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Sự liên kết tinh thể khi được gắn vào các bậc có xu hướng theo một hướng. Redwing cho biết: “Nếu tất cả các tinh thể có thể được sắp xếp theo cùng một hướng, thì các khiếm khuyết song sinh trong lớp sẽ giảm hoặc thậm chí bị loại bỏ. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng bằng cách kiểm soát các điều kiện quy trình MOCVD, hầu hết các tinh thể có thể được tạo ra để gắn vào sapphire ở các bước. Và trong quá trình thí nghiệm, họ đã khám phá ra thêm một điều thú vị: Nếu các tinh thể gắn kết ở đầu bậc thang, chúng sẽ thẳng hàng theo một hướng tinh thể học; nếu chúng gắn ở phía dưới, chúng sẽ thẳng hàng theo hướng ngược lại. Redwing cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng có thể gắn phần lớn các tinh thể vào cạnh trên hoặc cạnh dưới của các bậc thang,” Redwing cho biết, ghi nhận công trình thử nghiệm được thực hiện bởi Haoyue Zhu, học giả sau tiến sĩ và Tanushree Choudhury, trợ lý giáo sư nghiên cứu. , trong 2DCC-MIP. “Điều này sẽ cung cấp một cách để giảm đáng kể số lượng ranh giới song sinh trong các lớp.” Nadire Nayir, một học giả sau tiến sĩ được cố vấn bởi Giáo sư Đại học Xuất sắc Adri van Duin, đã dẫn đầu các nhà nghiên cứu tại cơ sở Lý thuyết/Mô phỏng 2DCC-MIP để phát triển một mô hình lý thuyết về cấu trúc nguyên tử của bề mặt sapphire nhằm giải thích lý do tại sao vonfram diselenua được gắn vào mặt trên hoặc mặt dưới cạnh của các bước. Họ đưa ra giả thuyết rằng nếu bề mặt của viên sapphire được bao phủ bởi các nguyên tử selen, thì chúng sẽ bám vào cạnh dưới của các bậc thang; nếu sapphire chỉ được bao phủ một phần để cạnh dưới của bước thiếu nguyên tử selen, thì các tinh thể được gắn vào phía trên. Để xác nhận lý thuyết này, các nhà nghiên cứu 2DCC-MIP của Penn State đã làm việc với Krystal York, một sinh viên tốt nghiệp trong nhóm nghiên cứu của Steven Durbin, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Western Michigan. Cô ấy đã đóng góp cho nghiên cứu như một phần của Chương trình Du khách Học giả Thường trú 2DCC-MIP. York đã học cách phát triển màng mỏng vonfram diselenua thông qua MOCVD trong khi sử dụng các cơ sở 2DCC-MIP cho nghiên cứu luận án tiến sĩ của mình. Các thí nghiệm của cô ấy đã giúp xác nhận rằng phương pháp này có hiệu quả. Redwing cho biết: “Trong khi thực hiện những thí nghiệm này, Krystal đã quan sát thấy rằng hướng của các miền vonfram diselenua trên saphia thay đổi khi cô thay đổi áp suất trong lò phản ứng MOCVD. “Việc quan sát thử nghiệm này đã cung cấp sự xác minh cho mô hình lý thuyết đã được phát triển để giải thích vị trí đính kèm của các tinh thể vonfram diselenua trên các bậc trên tấm wafer sapphire.” Các mẫu diselenua vonfram ở quy mô wafer trên sapphire được sản xuất bằng quy trình MOCVD mới này có sẵn cho các nhà nghiên cứu bên ngoài Penn State thông qua chương trình người dùng 2DCC-MIP. Redwing cho biết: “Các ứng dụng như trí tuệ nhân tạo và Internet of Things sẽ yêu cầu cải thiện hiệu suất hơn nữa cũng như các cách để giảm mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị điện tử.

Dấu thời gian:

Thêm từ công trình nano