Zweidimensionale (2D) Halbleiter haben eine einzigartige Eigenschaft, die es ermöglicht, ihre Dicke auf ein oder wenige Atome zu reduzieren – und diese Eigenschaft könnte möglicherweise die Kurzkanaleffekte minimieren, die bei fortschrittlichen Transistoren auf Siliziumbasis ein Problem bleiben, z Transistor vorzeitig.
Trotz des Potenzials, das 2D-Halbleiter besitzen, um herkömmliche Halbleitermaterialien wie Silizium in Zukunft zu ersetzen, bleibt eine zentrale Herausforderung bestehen: ihre geringe Ladungsträgermobilität bei Raumtemperatur, verursacht durch starke Streuung zwischen Elektronen und Phononen.
Straßen- und Verkehrsbedingungen bestimmen die Menge an Zeit und Energie, die eine Person aufwendet, um von einem Ort zum anderen zu reisen. Auf ähnliche Weise misst die Ladungsträgermobilität, wie schnell sich ein Ladungsträger, beispielsweise ein Elektron oder ein Loch, durch ein Material bewegen kann, wenn ein elektrisches Feld vorhanden ist. Diese Eigenschaft bestimmt auch, ob ein halbleitendes Material für elektronische Geräte geeignet ist.
Eine hohe Trägermobilität kann die Verlustleistung in integrierten Schaltungen effektiv reduzieren und den Gesamtleistungsverbrauch senken, wodurch die Lebensdauer elektrischer Geräte oder Systeme verlängert wird und die Kosten für den Betrieb dieser Geräte oder Systeme gesenkt werden.
Forscher des Institute of Materials Research and Engineering (IMRE) der Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), der Fudan University, der National University of Singapore und der Hong Kong Polytechnic University haben kürzlich herausgefunden, dass 2D-Materialien auf Substraten mit gewölbten Morphologien platziert werden können kann die Trägermobilität bei Raumtemperatur um zwei Größenordnungen erhöhen. Diese Ausbuchtungen erzeugen Wellen im Material und verzerren so seine Gitterstruktur – indem ein oder mehrere Atome von ihrer ursprünglichen Position in einer idealen Struktur bewegt werden.
Dieser Ansatz steht im Gegensatz zu herkömmlichen Strategien, die auf perfekten Gitterstrukturen beruhen, um die Trägermobilität zu verbessern, da jede Form von Verunreinigung oder Gitterverzerrung als nachteilig auf die Mobilität angesehen wird.
In einer Studie veröffentlicht in Natur-Elektronik Im Juni 2022 beobachteten Forscher, dass gewelltes 2D-Molybdändisulfid (MoS2) mit Gitterverzerrungen eine größere elektrische Polarisation erzeugt, die die Frequenz von Phononen renormalisieren kann. Diese renormierte Phononenfrequenz reduziert effektiv die Stärke der Streuung zwischen Elektronen und Phononen und erhöht somit die Ladungsträgermobilität in MoS2. Dadurch können sich Elektronen nun schneller durch das Material bewegen.
Studienergebnisse zeigen, dass die Ladungsträgermobilität bei Raumtemperatur in geripptem MoS2 um zwei Größenordnungen erhöht ist und ungefähr 900 cm2 V-1 s-1 erreicht. Das beobachtete Ergebnis übersteigt die vorhergesagte phononenbegrenzte Trägermobilität von flachem MoS2 von 200–410 cm2 V-1 s-1.
Durch die Studie wurde festgestellt, dass das Erzeugen von Ausbuchtungen in der Gitterstruktur von MoS2 die intrinsische Trägermobilitätsgrenze des Materials überwindet. Dies ebnet den Weg für MoS2 und andere 2D-Materialien zur Verwendung bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren und thermoelektrischen Geräten mit konkurrenzfähiger Leistung bei Raumtemperatur.
„Unser Ansatz ist einfach und kostengünstig und demonstriert die Gittertechnik als effektive Strategie zur Schaffung von Hochleistungselektronik bei Raumtemperatur und thermoelektrischen Geräten für die Elektronik der Zukunft“, sagte Dr. Wu Jing, Wissenschaftler am IMRE von A*STAR.
„Wir zeigen weiter den zugrunde liegenden Mechanismus auf, dass die verbesserte Ladungsträgermobilität auf die unterdrückte Elektron-Phonon-Streuung und die erhöhte intrinsische Dielektrizitätskonstante zurückzuführen ist, die durch die gewellten Strukturen im 2D-Halbleiter induziert werden. Beide spielen synergistische Effekte, um die intrinsische Ladungsträgermobilität zu erhöhen.“ sagte Dr. Yang Ming, Assistenzprofessor am Institut für Angewandte Physik der Hong Kong Polytechnic University.
Hong Kuan Ng et al, Verbesserung der Ladungsträgermobilität in zweidimensionalen Halbleitern mit geriffelten Materialien, Natur-Elektronik (2022). DOI: 10.1038/s41928-022-00777-z