Det moderna livet skulle vara nästan otänkbart utan transistorer. De är de allestädes närvarande byggstenarna för alla elektroniska enheter, och varje datorchip innehåller miljarder av dem. Dock, när chipsen blir allt mindre, de nuvarande 3D-fältelektroniska transistorerna (FET) når sin effektivitetsgräns. Ett forskarlag vid Institutet för grundvetenskap (IBS) har utvecklat den första 2D elektroniska kretsen (FET) gjord av ett enda material. Publicerad i Naturens nanoteknik , denna studie visar en ny metod för att göra metalliska och halvledande polymorfer av samma material för att tillverka 2-D FET.

I enkla termer, FET kan ses som höghastighetsomkopplare, består av två metallelektroder och en halvledande kanal däremellan. Elektroner (eller hål) rör sig från källelektroden till dräneringselektroden, flyter genom kanalen. Medan 3-D FET har skalats ner till nanoskala dimensioner framgångsrikt, deras fysiska begränsningar börjar dyka upp. Korta halvledarkanallängder leder till en minskning av prestanda - vissa elektroner kan flöda mellan elektroderna även när de inte borde, orsakar värme- och effektivitetsminskning. För att övervinna denna prestandaförsämring, transistorkanaler måste tillverkas av tunna material i nanometerskala. Dock, även tunna 3D-material är inte tillräckligt bra, som oparade elektroner, en del av de så kallade "hängande bindningarna" på ytan stör de strömmande elektronerna, leder till spridning.

Att använda 2-D FET istället för 3D FET kan övervinna dessa problem och erbjuder nya, attraktiva fastigheter. "FET:er gjorda av 2D-halvledare är fria från kortkanalseffekter eftersom alla elektroner är inneslutna i naturligt atomärt tunna kanaler, fri från hängande bindningar vid ytan, " förklarar Ji Ho Sung, första författare till studien. Dessutom, en enkel- och fålagersform av skiktade 2D-material har ett brett utbud av elektriska och avstämbara optiska egenskaper, tjocklek i atomskala, mekanisk flexibilitet och stora bandgap (1~2 eV).

Den stora frågan för 2-D FET-transistorer är förekomsten av ett stort kontaktmotstånd vid gränssnittet mellan 2-D-halvledaren och eventuell bulkmetall. För att ta itu med detta, teamet tog fram en ny teknik för att producera 2-D metalltransistorer med halvledning gjorda av molybdentellurid (MoTe ₂ ). Det är ett polymorft material, vilket innebär att den kan användas både som metall och som halvledare. Kontaktresistans vid gränssnittet mellan halvledaren och metallisk MoTe ₂ visar sig vara mycket låg. Barriärhöjden sänktes med en faktor 7, från 150 meV till 22 meV.

IBS-forskare använde tekniken för kemisk ångavsättning (CVD) för att bygga högkvalitativa metalliska eller halvledande MoTe ₂ kristaller. Polymorfismen styrs av temperaturen inuti en varmväggig kvartsrörsugn fylld med NaCl-ånga vid 710°C för att erhålla metall, och 670°C för en halvledare.

Forskarna tillverkade också strukturer i större skala med ränder av volframdiselenid (WSe ₂ ) alternerat med volframditellurid (WTe ₂ ). De skapade först ett tunt lager av halvledande WSe ₂ med kemisk ångavsättning, skrapade sedan ut några ränder och växte metallisk WTe2 på sin plats.

Man räknar med att i framtiden, det skulle vara möjligt att realisera ett ännu mindre kontaktmotstånd, att nå den teoretiska kvantgränsen, som betraktas som en viktig fråga i studien av 2D-material, inklusive grafen och andra dikalkogenidmaterial av övergångsmetall.