Двумерные (2D) полупроводники представляют собой полупроводниковые материалы толщиной в атомном масштабе, обладающие исключительными электронными свойствами. В будущем эти материалы могут заменить кремний при разработке многочисленных электронных и оптоэлектронных устройств.
Несмотря на их преимущества, использование 2D-полупроводников до сих пор было ограничено, отчасти из-за их низкой подвижности носителей при комнатной температуре . Это вызвано сильным рассеянием фононов (т. е. квазичастиц, связанных с коллективными колебаниями атомов) в решетках материалов.
Исследователи из Агентства по науке, технологиям и исследованиям (A*STAR) в Сингапуре и Гонконгского политехнического университета в Гонконге, Китай, недавно разработали стратегию проектирования, которая может помочь преодолеть это ограничение, улучшив мобильность носителей 2D-материалов. Предлагаемый ими подход, изложенный в статье, опубликованной в Nature Electronics , влечет за собой введение искажений решетки в двумерный материал с использованием выпуклых подложек.
«Наша статья была вдохновлена высокой подвижностью носителей, наблюдаемой в 2D TMD на подложках с высокой шероховатостью поверхности Тао Лю и др. Еще в 2019 году», — доктор Мин Ян и доктор Цзин Ву. Об этом TechXplore рассказали двое исследователей, проводивших исследование. «Однако наблюдаемое увеличение подвижности было просто приписано эффектам деформации, и фундаментальный механизм остается неясным. С этой целью мы копнули глубже, чтобы разгадать лежащую в основе физику, ответственную за такое значительное увеличение подвижности, и продемонстрировать решетчатую инженерию как эффективную стратегию создания высокопроизводительные электронные устройства при комнатной температуре».
Большинство традиционных стратегий улучшения подвижности носителей в двумерных полупроводниках основаны на достижении идеальных решетчатых структур. Стратегия, предложенная Янгом, Ву и их коллегами, с другой стороны, просто влечет за собой введение выпуклых подложек, которые создают рябь в двумерном полупроводнике и подавляют рассеяние фононов.
«Мы просто размещали 2D-материалы на подложках с выпуклой морфологией, создавая рябь в материале, что приводит к искажению решетки», — объяснили Ян и Ву. «Обычно предполагается, что искажения решетки неблагоприятно влияют на подвижность носителей. Однако мы показываем, что такие искажения решетки создают большую электрическую поляризацию, которая может не только перенормировать частоту фононов для эффективного подавления рассеяния между электронами и фононами, но также усилить внутреннюю диэлектрическая проницаемость для дальнейшего экранирования рассеяния полярных фононов».
По сравнению с другими существующими подходами к увеличению мобильности носителей в 2D-полупроводниках стратегия, предложенная этими исследователями, проста и эффективна с точки зрения затрат. В рамках своего исследования команда проверила его на двумерном дисульфиде молибдена (MoS 2 ) и обнаружила, что это приводит к подвижности носителей при комнатной температуре примерно 900 см 2 В -1 с -1 , что превышает предсказанную фононно-ограниченную подвижность плоских MoS 2 (в диапазоне от 200 до 410 см 2 В -1 с -1 ).
«Наблюдаемое увеличение подвижности и основной механизм такой высокой подвижности носителей в рифленой MoS 2 , которая превышает предсказанную фононно-ограниченную подвижность в плоской MoS 2 , заслуживают особого внимания», — сказали Ян и Ву. «Такая высокая мобильность носителей может проложить путь для маломощной электроники и является важным параметром для большинства приложений, от полевых транзисторов до фотодетекторов и многого другого».
Исследование, проведенное этой группой исследователей, подчеркивает огромный потенциал стратегий проектирования решеток для повышения производительности электронных и термоэлектрических устройств при комнатной температуре. В будущем их метод может быть использован для создания более эффективных устройств на основе 2D-полупроводников. Кроме того, потенциально это может вдохновить на разработку других стратегий проектирования, основанных на решетчатой инженерии.
«В наших следующих исследованиях мы планируем систематически создавать рифленые/выпуклые субстраты, чтобы свести к минимуму изменчивость, а также изучить корреляции между выпуклостями», — добавили Ян и Ву.
