Entwicklung eines neuen Schichtmaterials für zukünftige Elektronik

Eine neue vom RMIT geleitete Studie stapelt zwei verschiedene Arten von 2D-Materialien zusammen, um ein Hybridmaterial mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen.

Dieses Hybridmaterial besitzt wertvolle Eigenschaften für den Einsatz in zukünftigen Speichern und elektronischen Geräten wie Fernsehern, Computern und Telefonen. Am wichtigsten ist, dass die elektronischen Eigenschaften der neuen Stapelstruktur ohne die Notwendigkeit externer Belastung gesteuert werden können, was den Weg für die Verwendung in zukünftigen Niedrigenergietransistoren ebnet.

Das Ergebnis ist ein neues potenzielles Material für multiferroische Nanobauelemente wie Feldeffekttransistoren und Speicherbauelemente, die viel weniger Energie verbrauchen als derzeitige Elektronik auf Siliziumbasis und elektronische Komponenten kleiner machen könnten.

Atomar dünne Bausteine

Die Arbeit verwendet eine Struktur, die zwei atomar dünne Materialien umfasst: einen Film aus einem ferroelektrischen Material und einen weiteren Film aus einem magnetischen Material. (Eine solche Struktur aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien wird als „Heterostruktur“ bezeichnet.)

Durch Stapeln der beiden 2D-Materialien erzeugen die Forscher ein „multiferroisches“ Material, das die einzigartigen Eigenschaften der ferroelektrischen und ferromagnetischen Materialkomponenten kombiniert.

Insbesondere fanden die Forscher heraus, dass sie die intrinsischen ferroelektrischen Eigenschaften nutzen konnten, um die Höhe der Schottky-Barriere der In2Se3/Fe3GeTe2-Heterostruktur abzustimmen, anstatt eine angelegte Spannung zu verwenden, die bei anderen Systemen erforderlich ist. (Die Schottky-Barriere ist eine Energiedifferenz, die durch das Verbinden eines Metalls mit einem Halbleiter entsteht.)

Die Möglichkeit, die Höhe der Barriere abzustimmen, ist erforderlich, um Strom von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umzuwandeln, um ihn in elektronischen Komponenten wie Dioden zu verwenden, die in Fernsehern, Computern und anderen elektronischen Geräten des Alltags zu finden sind.

Die resultierende schaltbare Schottky-Barrierenstruktur kann eine wesentliche Komponente in einem zweidimensionalen Feldeffekttransistor (FET) bilden, der durch Schalten der intrinsischen ferroelektrischen Polarisation betrieben werden kann, anstatt durch das Anlegen einer externen Belastung.

Schalten ohne äußere Belastung

Diese Arbeit verwendet eine Heterostruktur aus zwei 2D-Monoschichten: In2Se3 und Fe3GeTe2 (normalerweise als „FGT“ abgekürzt), wobei In2Se3 ein ferroelektrischer Halbleiter und FGT ein magnetisches/ferromagnetisches Material ist.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass In2Se3/FGT vergleichbare Eigenschaften wie andere Heterostrukturen bietet, jedoch ohne die Notwendigkeit einer externen Spannung“, sagt die korrespondierende Autorin Prof. Michelle Spencer. „Mit dieser Heterostruktur können wir nicht nur die Barrierenhöhe steuern, sondern auch zwischen einer n-Typ- und einer p-Typ-Schottky-Barriere umschalten.“

Eine solche Steuerbarkeit und Abstimmbarkeit der In2Se3/FGT-Heterostruktur kann ihr Gerätepotenzial in zukünftigen elektronischen Niedrigenergiegeräten erheblich erweitern.

„Wir haben eine signifikante Änderung in den strukturellen und elektronischen Eigenschaften festgestellt, die zwischen den Konfigurationen von In2Se3 wechseln. Solche Änderungen machen diese Heterostruktur als schaltbare 2D-Schottky-Diodenvorrichtung nützlich“, sagte Hauptautorin Dr. Maria Javaid.

Von der Theorie ins Labor

Das Ergebnis lässt sich direkt auf die Mission von FLEET anwenden, eine neue Generation von Ultra-Niedrigenergie-Technologien jenseits der CMOS-Elektronik zu entwickeln.

Neben der Einführung eines neuen möglichen Weges zu multiferroischen Nanogeräten wird die Arbeit Experimentatoren auf diesem Gebiet motivieren, weitere Möglichkeiten für die Verwendung von In2Se3/FGT in zukünftigen elektronischen Niedrigenergiegeräten zu erkunden, zum Beispiel: