Die Bibliothek zweidimensionaler (2D) Schichtmaterialien wächst ständig, von einfachen 2D-Materialien bis hin zu Metallchalkogeniden. Im Gegensatz zu ihren massiven Gegenstücken besitzen 2D-Schichtmaterialien neuartige Eigenschaften, die ein großes Potenzial für elektronische und optoelektronische Geräte der nächsten Generation bieten.
Das Doping-Engineering ist ein wichtiger und effektiver Weg, um die besonderen Eigenschaften von 2D-Materialien für die Anwendung in logischen Schaltkreisen, Sensoren und optoelektronischen Geräten zu kontrollieren. Allerdings müssen während des Dotierungsprozesses zusätzliche Chemikalien verwendet werden, die die Materialien kontaminieren können. Die Techniken sind nur in bestimmten Schritten während der Materialsynthese oder der Geräteherstellung möglich.
In einem neuen Artikel, erschienen in eLight, untersuchte ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Han Zhang von der Shenzhen University und Professor Paras N. Prasad von der University of Buffalo die Implementierung von Neutronentransmutationsdotierung zur Manipulation des Elektronentransfers. Ihr Papier mit dem Titel hat die Veränderung zum ersten Mal demonstriert.
Neutronentransmutationsdotierung (NTD) ist eine kontrollierbare in-situ-Substitutionsdotierungsmethode, die die Kernreaktionen thermischer Neutronen mit den Kernen der Atome in Halbleitern nutzt. Es bietet eine neue Möglichkeit, 2D-Materialien absichtlich ohne zusätzliche Reagenzien zu dotieren. NTD kann in jeden Schritt während der Herstellung von auf 2D-Materialien basierenden Geräten eingeführt oder sogar nach der Herstellung verwendet werden.
NTD wurde 1975 erfolgreich für Massenhalbleiter wie Si, Galliumphosphid (GaP) und Indiumphosphid (InP) entwickelt. 1991 konnten die mit Zinn (Sn) verwandten flachen Donatoren durch NTD gleichmäßig in den massiven Indiumselenid (InSe)-Kristall eingeführt werden. Die weitere Leistungsverbesserung der 2D-Schicht-Photodetektoren auf InSe-Basis wird durch die niedrige Ladungsträgerdichte des dotierten InSe begrenzt. Es wäre faszinierend, wenn die Leistung von 2D-geschichteten InSe-basierten Fotodetektoren über die „saubere“ Methode von NTD manipuliert und optimiert werden könnte.
Das Forschungsteam realisierte erstmals die Dotierung von 2D-geschichtetem InSe über NTD. Sie verkleinerten erfolgreich die Bandlücke und erhöhten die Elektronenmobilität von SN-dotiertem geschichtetem InSe, was eine signifikante Verbesserung widerspiegelt. Sie erhöhten die Feldeffekt-Elektronenmobilität von 1,92 cm2 V-1 s-1 auf 195 cm2 V-1 s-1. Gleichzeitig verbesserte sich die Empfindlichkeit des Fotodetektors um etwa das Fünfzigfache auf 397 A/W.
Das Forschungsteam ist der Ansicht, dass NTD enormes Potenzial für die Zukunft der Materialforschung bietet. Es sollte bedeutende neue Möglichkeiten in materialbasierten Technologien eröffnen. Bei der NTD-Methode können Dotierstoffe streng kontrolliert und jederzeit eingebracht werden, was die Effizienz verbessert. Durch Doping auf atomarer Ebene können Forscher und Industrie sicherstellen, dass Dotierstoffe genau an der richtigen Stelle platziert werden und die genaue Wirkung des Dotierstoffs an dieser Stelle kennen. Schließlich könnte NTD zum Schutz von Menschen eingesetzt werden, insbesondere beim Erfassen von Gasen oder anderen biologischen Problemen.
Zhinan Guo et al, In-situ-Neutronentransmutation zur Substitutionsdotierung in 2D-Schicht-Phototransistoren auf Indiumselenid-Basis, eLight (2022). DOI: 10.1186/s43593-022-00017-z