Forskare vid UC Santa Barbara, i samarbete med University of Notre Dame, har nyligen visat den högsta rapporterade drivströmmen på en transistor gjord av ett monolager av volframdiselenid (WSe2), en 2-dimensionell atomkristall kategoriserad som en övergångsmetalldikalkogenid (TMD). Upptäckten är också den första demonstrationen av en "n-typ" WSe2 fälteffekttransistor (FET), visar den enorma potentialen hos detta material för framtida integrerade kretsar med låg effekt och hög prestanda.

Monolager WSe2 liknar grafen genom att det har en hexagonal atomstruktur och härrör från dess skiktade bulkform där intilliggande lager hålls samman av relativt svaga Van der Waals-krafter. Dock, WSe2 har en viktig fördel jämfört med grafen.

"Förutom dess atomärt släta ytor, den har ett stort bandgap på 1,6 eV, " förklarade Kaustav Banerjee, professor i elektro- och datateknik och chef för Nanoelectronics Research Lab vid UCSB. Banerjees forskargrupp inkluderar också UCSB-forskare Wei Liu, Jiahao Kang, Deblina Sarkar, Yasin Khatami och professor Debdeep Jena från Notre Dame. Deras studie publicerades i maj 2013-numret av Nanobokstäver .

"Det finns ett växande globalt intresse för dessa 2D-kristaller på grund av de många möjligheter de har för nästa generation av integrerad elektronik, optoelektronik och sensorer, " kommenterade professor Pulickel Ajayan, Anderson professor i teknik vid Rice University och en världskänd auktoritet inom nanomaterial. "Detta resultat är mycket imponerande och ett resultat av den detaljerade förståelsen av den fysiska naturen hos kontakterna till dessa 2D-kristaller som Santa Barbara-gruppen har utvecklat."

"Att förstå karaktären hos metall-TMD-gränssnitten var nyckeln till vår framgångsrika transistordesign och demonstration, " förklarade Banerjee. Banerjees grupp banade väg för en metod som använde ab-initio Density Functional Theory (DFT) som fastställde de nyckelkriterier som behövs för att utvärdera sådana gränssnitt som leder till bästa möjliga kontakter till monolager-TMD.

DFT-tekniken var pionjär av UCSB professor emeritus i fysik Dr Walter Kohn, för vilket han tilldelades Nobelpriset i kemi 1998. "Vid ett möte nyligen med professor Kohn, vi diskuterade hur denna relativt nya klass av halvledare drar nytta av ett av hans landmärkebidrag, sa Banerjee.

Wei Liu, en postdoktor i Banerjees grupp och medförfattare till studien, förklarade, "Guidad av kontaktutvärderingsmetoden vi har utvecklat, våra transistorer uppnådde ON-strömmar så höga som 210 uA/um, som är det högsta rapporterade värdet för drivström på någon monolager TMD-baserad FET hittills." De kunde också uppnå en rörlighet på 142 cm2/V.s, vilket är det högsta rapporterade värdet för någon back-gated monolayer TMD FET.

"DFT-simuleringar ger kritiska insikter om de olika faktorerna som effektivt bestämmer kvaliteten på gränssnitten till dessa 2D-material, vilket är nödvändigt för att uppnå låga kontaktmotstånd." tillade Jiahao Kang, en doktorand i Banerjees grupp och medförfattare till studien.

"Nanoelektronik och energieffektiv datorteknik är nyckelområden för forskning vid UCSB, områden där våra fakultetsmedlemmar är kända för sina prestationer. Med dessa resultat, Professor Banerjees team fortsätter att ge viktiga forskningsbidrag till nästa generations elektronik, " kommenterade Rod Alferness, Dekanus för College of Engineering vid UCSB.