Die kontrollierte Synthese von Kristallflocken ebnet den Weg für fortschrittliche Elektronik der Zukunft

Laut einer internationalen Zusammenarbeit, die einen Weg zur Herstellung neuer, idealisierter zweidimensionaler Halbleitermaterialien entwickelt hat, könnte die dritte Dimension dafür verantwortlich sein, dass die Elektronik nicht dünner, kleiner und flexibler wird. Sie veröffentlichten ihren Ansatz am 3. Juni in Nanoforschung.

Die Forscher unter der Leitung von Lin Zhou, außerordentlicher Professor für Chemie an der Shanghai Jiao Tong University in China, konzentrierten sich auf Indiumarsenid (InAs), einen Halbleiter mit schmaler Bandlücke und nützlichen Eigenschaften für Hochgeschwindigkeitselektronik und hochempfindliche Infrarot-Fotodetektoren. Im Gegensatz zu den meisten bestehenden 2D-Materialien mit Schichtstrukturen besteht das Problem laut Zhou darin, dass InAs typischerweise eine 3D-Gitterstruktur aufweist, was die Umwandlung in ultradünne 2D-Filme für fortschrittliche elektronische und optoelektronische Anwendungen schwierig macht.

„Das Wachstum von großen, ultradünnen, nicht geschichteten 2D-Materialien war eine große Herausforderung, aber eine, die es wert ist, gelöst zu werden. Dank seiner hohen Mobilität und einstellbaren Bandlücke könnten 2D-InAs ein entscheidendes Material für die Hochleistungs-Nanoelektronik der nächsten Generation sein , Nanophotonik und Quantengeräte“, sagte Zhou. „Es hat die Vorteile beider InAs, wie hohe Ladungsträgermobilität, kleine und direkte Bandlückengröße, und 2D-Materialien, die eine ultradünne Natur haben, die für kleine Geräte geeignet, flexibel und transparent sind.“ Diese Arbeit bietet auch einen vielversprechenden Weg, um die Gruppe der 2D-Halbleiter durch die Einbeziehung von Materialien mit nicht geschichteten Strukturen weiter zu erweitern.

Die Forscher nutzten eine schwache atomare Anziehungskraft, die als Van-der-Waals-Kraft beim Epitaxiewachstum bekannt ist. Die Kraft beschreibt, wie sich neutrale Moleküle miteinander verbinden können, während bei der Epitaxie eine Schicht aus einem Material auf ein kristallähnliches Substrat aufgebracht wird. Unter Verwendung von atomar flachem Glimmer, der natürlich geschichtet ist, als Substrat wuchsen die Forscher eine dünne Schicht aus InAs. Die Moleküle im Glimmersubstrat und die Moleküle in den InAs werden gegenseitig genug angezogen, um sich zu verbinden, wodurch verhindert wird, dass die InAs zu einem 3D-Gitter wachsen. Darüber hinaus gewährleistet das Van-der-Waals-Wachstum spannungsfreie Versetzungen ohne Fehlanpassungen in 2D-InAs im gewachsenen Zustand. Die InAs können mit gewünschten Eigenschaften unglaublich dünn sein.

Zhou bemerkte auch, dass das InAs und das Substrat keine kovalente Bindung eingehen, sodass sie getrennt und das Substrat wiederverwendet werden können, was den Syntheseprozess kostengünstiger macht.

„Wir haben auch festgestellt, dass wir die Eigenschaften von 2D-InAs durch Ändern der Materialdicke aufgrund des Quanteneinschlusseffekts einstellen können“, sagte Zhou. „Das 2D-InAs lässt sich leicht maßschneidern, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen und mit anderen Verbindungen zu integrieren. Zusätzlich zur Manipulation der Dicke während der Synthese können wir 2D-InAs auch mit anderen 2D-Materialien stapeln, um Heteroübergänge für eine multifunktionale Leistung zu bilden, was ihnen erhebliche Vorteile verschafft Elektronik und Photovoltaik.“

Das endgültige 2D-InAs-Material hat die Form von dreieckigen Flocken mit einer Dicke von etwa fünf Nanometern. Das ist etwa 0,0007 der Größe eines einzelnen roten Blutkörperchens. Je kleiner das Material, desto kleiner die Geräte, aus denen es letztendlich bestehen wird, sagte Zhou.

„Vor dieser Arbeit wurde nicht über hochwertiges 2D-InAs – das heißt weniger als 10 Nanometer dick – berichtet, geschweige denn über eine skalierbare Synthese von 2D-InAs-Einkristallen mit einzigartigen optischen und elektronischen Eigenschaften“, sagte Zhou. „Unsere Arbeit ebnet den Weg für die Miniaturisierung von InAs-basierten Geräten und Integrationen.“

Als nächstes, sagte Zhou, wird das Team neue 2D-Halbleiter erforschen, um mit dem ultimativen Ziel zu wachsen, eine skalierbare Synthese von hochwertigen 2D-Materialien über große Flächen für multifunktionale Anwendungen zu erreichen.

Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press