Grafenbaseret halvleder har et nyttigt båndgab og høj elektronmobilitet – Physics World

Grafenbaseret halvleder har et nyttigt båndgab og høj elektronmobilitet – Physics World

Tidsstempel: 26. januar 2024 kl. 9

Epigrafen
Epigrafen på en chip: holdets grafenenhed blev dyrket på et siliciumcarbidsubstrat. (Med høflighed: Georgia Institute of Technology)

Forskere i Kina og USA har skabt en funktionel halvleder lavet af grafen, en bedrift, som de beskriver som den første. Ved at udvide på eksisterende fremstillingsteknikker, Walter de Heer og kolleger ved Tianjin University og Georgia Institute of Technology har skabt et båndgab i 2D-materialet, samtidig med at grafenens robuste og let afstembare egenskaber bevares.

Silicium er rygraden i moderne halvlederelektronik. Men de nyeste siliciumbaserede teknologier bliver strakt til deres grænser af vores ubønhørlige efterspørgsel efter højere computerhastigheder, lavere strømforbrug og mere kompakte enheder.

I to årtier nu har forskere undersøgt muligheden for, at grafen kunne være et praktisk alternativ til silicium. Grafen blev først isoleret i 2004 og er en plade af kulstof, der kun er et atom tyk. Siden da har forskere fundet ud af, at grafen har en række egenskaber, der kan gøre det meget nyttigt til elektroniske enheder. Disse omfatter høj elektronmobilitet; en stærk, let, meget kompakt struktur; og fremragende varmeafledning.

En stor ulempe

Grafen har dog en stor ulempe. I modsætning til konventionelle halvledere mangler grafen et iboende elektronbåndgab. Dette er en energibarriere, som elektroner skal overvinde for at lede elektricitet. Det er båndgabet, der gør det muligt at lave elektroniske switche (transistorer) af halvledere.

"Et langvarigt problem inden for grafenelektronik er, at grafen ikke havde det rigtige båndgab og ikke kunne tænde og slukke i det rigtige forhold," forklarer medforfatter Lei Ma, der var med til at stifte Tianjin Internationale Center for Nanopartikler og Nanosystemer med de Heer. "I årenes løb har mange forsøgt at løse dette med en række forskellige metoder."

Tidligere undersøgelser har forsøgt at konstruere passende båndgab ved hjælp af teknikker som kvanteindeslutning og kemisk modifikation af ren grafen. Indtil videre har disse tilgange imidlertid resulteret i meget ringe succes.

"Vi var nødt til at lære, hvordan man behandler [grafen], hvordan man gør det bedre og bedre, og endelig hvordan man måler dets egenskaber," forklarer de Heer. "Det tog meget, meget lang tid."

Spontan vækst

I deres seneste forskning har forskerne for første gang vist, hvordan bandgap-halvlederen "epigraphene" kan vokse spontant på overfladerne af siliciumcarbidkrystaller.

Tidligere forskning havde afsløret, at ved høje temperaturer sublimerer silicium fra overfladerne af disse krystaller og efterlader kulstofrige lag. Disse lag omkrystalliserer til flerlags epigrafen, som har begrænsede halvledende egenskaber.

Ved at udvide på denne teknik har de Heer og Ma's team udviklet en ny udglødningsmetode, hvor de omhyggeligt kontrollerede prøvetemperaturen og hastigheden af ​​epigrafendannelse. De skabte et robust grafenlag, der vokser i makroskopiske, atomært flade terrasser. Hvad mere er, er grafen-atomerne på linje med gitteret af siliciumcarbidsubstratet.

Nyttig bandgap

Ved at lave omhyggelige målinger viste holdet, at dette lag er en fremragende 2D-halvleder. Det har det nyttige båndgab, som har unddraget sig forskere i årtier, sammen med høj elektronmobilitet.

"Vi har nu en ekstremt robust grafen-halvleder med 10 gange mobiliteten af ​​silicium, og som også har unikke egenskaber, der ikke er tilgængelige i silicium," siger de Heer begejstret. Han sammenligner elektronmobilitet i silicium med at køre på en grusvej, hvorimod epigrafen er som en elektronmotorvej. "Det er mere effektivt, det varmer ikke så meget op, og det giver mulighed for højere hastigheder, så elektronerne kan bevæge sig hurtigere," forklarer de Heer.

Ud over denne præstation viste holdet også, at deres epigrafen kan dopes med en bred vifte af atomer og molekyler for at finjustere dets elektroniske og magnetiske egenskaber. Materialet kan også være nanomønstret for yderligere at forbedre dets ydeevne yderligere - nanomønster er meget vanskeligt at gøre med grafen dyrket på andre substrater.

De Heer, Ma og deres kolleger håber, at deres teknik kan bane vejen for en helt ny tilgang til halvlederfremstilling og i sidste ende kan være et afgørende første skridt mod en ny generation af grafenbaseret elektronik.

Forskningen er beskrevet i Natur.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden