Germanium, en elementär halvledare, var det valda materialet i den tidiga historien om elektroniska enheter, innan den till stor del ersattes av kisel. Men på grund av sin höga laddningsbärarmobilitet - högre än kisel tre gånger - gör halvledaren comeback.

Germanium (Ge) odlas i allmänhet på dyra enkristalliga substrat, att lägga till ytterligare en utmaning för att göra det hållbart för de flesta applikationer. För att ta itu med denna aspekt, forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute i USA visar en epitaxy -metod som innehåller van der Waals krafter för att växa Ge on mica. Tillämpningar kan inkludera avancerade integrerade kretsar och högeffektiva solceller.

"Detta är första gången stamfri van der Waals epitaxi av en elementär halvledare har visats på glimmer, "sa Aaron Littlejohn, RPI-forskare och medförfattare till uppsatsen som visar arbetet, publicerades nyligen i Journal of Applied Physics .

Växande kristallina filmlager på kristallina substrat (kallas epitaxy) är allestädes närvarande vid halvledartillverkning. Om filmen och substratmaterialen är desamma, då bildar de perfekt matchade skikten starka kemiska bindningar för optimal laddningsbärarmobilitet.

Att skikta olika material effektivt, dock, är en utmaning eftersom kristallgallren vanligtvis inte är i linje. För att komma runt detta, forskare använde vdW -styrkor, fenomen som är baserade på elektronernas sannolikhet, som inte är i ett fast läge runt en kärna. Snarare, de kan vara var som helst, och sannolikheten att de kommer att vara ojämnt fördelade finns nästan hela tiden. När detta händer, det finns en inducerad dipol:en lätt positiv laddning på ena sidan och en svag negativ laddning motsatt. Detta ger svagt attraktiva interaktioner mellan neutrala atomer.

Forskarna valde glimmer som substrat för att odla Ge-filmen på grund av dess atomärt släta yta, som är fri från dinglande bindningar (oparade valenselektroner). Detta säkerställde att ingen kemisk bindning skulle äga rum under vdW epitaxy -processen.

Istället, materialens gränssnitt hålls samman via svaga vdW-krafter. Detta möjliggör tillväxten av en avslappnad film trots de dramatiskt olika kristallstrukturerna hos de två materialen som har en skillnad på 23 procent i atomavstånd. Förutom att lindra begränsningarna för gittermatchning, vdW epitaxy gör att Ge -filmen kan exfolieras mekaniskt från glimmerytan och stå ensam som en substratlös film.

"Vår Ge-film kan användas som en tunnfilmig nanomembran, som skulle kunna integreras i elektroniska enheter lättare än nanokristaller eller nanotrådar, "Littlejohn sa." Det kan också fungera som substrat för efterföljande deponering av ytterligare material för flexibla transistorer och solceller, eller till och med bärbar optoelektronik. "

Pelargonfilmer ca 80 nanometer tjocka odlades på millimeterskala muskovit glimmersubstrat 0,26 mm tjocka. Genom att variera substrattemperaturen under avsättning och glödgning i intervallet 300-500 grader Celsius, forskarna fann att kristallgitteret stabiliseras vid cirka 425 grader Celsius.

"Tidigare forskning antyder att elementära halvledare inte kan odlas epitaxiellt på glimmer med hjälp av vdW-krafter vid någon förhöjd temperatur, men vi har nu visat annat, "Littlejohn sa." Med framgången för vår Ge -film odlad på glimmer vid en praktisk temperatur, vi räknar med att andra icke -skiktade elementära eller legerade material kan odlas på glimmer via vdW epitaxy. "