National University of Singapore forskare har upptäckt en unik tillväxtmekanism för att producera atomtunna halvledarband som kan fungera som en byggsten för högpresterande nanoelektroniska enheter.

Syntes av ultratunna halvledare, såsom monolager molybdendisulfid och relaterade föreningar, har väckt stort intresse under de senaste åren för deras potentiella användning för att förbättra prestanda för nanoelektroniska enheter. Möjligheten att syntetisera denna framväxande materialklass med en önskad geometri skulle spela en viktig roll för att underlätta deras tillverkningsprocess och implementering i integrerade kretsar med hög densitet.

Ett team som leds av prof Goki EDA från avdelningarna för fysik och kemi och Center for Advanced 2-D Materials (CA2DM) på NUS har upptäckt ett sätt att odla nano- och mikrobandstrukturer av molybdendisulfid som bara är tre atomer tjocka och i genomsnitt hundratals nanometer breda. Metoden innefattar reaktion av svavelånga med en blandning av molybden -trioxid och natriumkloridsalt vid ~ 700oC på en ren kristallyta. Forskarna fann att saltet reagerar med molybden -trioxid för att ge en tertiär förening som innehåller natrium, molybden och syre i olika atomförhållanden. Denna förening smälter sedan och bildar små droppar vid tillväxttemperaturen (~ 700 grader C). De mikroskopiska dropparna i denna förening reagerar sedan med svavel för att bilda ultratunn bandformad molybdendisulfid. Denna struktur skiljer sig påfallande från den typiska produkten av en saltfri tillväxt, som är triangulär och sexkantig i formen.

"Tillväxten av beställda band var en stor överraskning eftersom standardtillväxtmodellen inte förutsäger sådana strukturer, men vi insåg att det var resultatet av en distinkt tillväxtmekanism, "sa Dr LI, som var stipendiat i prof Edas grupp men nu är på National Institute of Materials Science i Japan. Den allmänt accepterade tillväxtmekanismen förlitar sig på föregångarnas inneboende dynamik för att diffundera och självorganisera sig på substratytan. Dr Li tillade, "Denna mekanism kunde inte förklara våra observationer."

Forskarna förklarar att det observerade fenomenet är en form av den välkända ånga-vätska-fasta (VLS) tillväxten där ångfasprekursorerna kondenseras till en flytande mellanprodukt innan den fasta produkten bildas. Morfologin för de smala band som erhölls i denna studie var, dock, till skillnad från vad som normalt förväntas av en VLS -tillväxt, som typiskt ger cylindriska eller rörformiga strukturer. Deras observation indikerar att vätskedroppen rör sig på substratytan på ett ordnat sätt, lämnar ett spår av ultratunna kristaller. Processen liknar "att måla med en bläckdroppe".

De halvledande band som syntetiserades med denna metod uppvisade hög kristallkvalitet. Forskarna visade att högpresterande mikroskopiska transistorer (med en fälteffektmobilitet på ~ 30 cm ² /Vs och på /av-förhållande på ~ 106) kan tillverkas från de enskilda banden. Eftersom det syntetiserade materialet redan är i den form som är lämplig för enheten, denna nya tillväxtmetod möjliggör enkel tillverkning av enheter utan att behöva ett extra mönstersteg, som normalt krävs när andra syntesmetoder används.

Prof Eda sa:"Vårt arbete öppnar många intressanta frågor om ytor och gränssnittstillväxt för nanomaterial. Vi tror att många andra material kan odlas med ett liknande tillvägagångssätt. Det kortsiktiga målet är att förstå tillväxtmekanismen bättre och att kontrollera bandens morfologi. "

Prof Eda föreställer sig att förmågan att direkt odla komplexa halvledande strukturer kommer att underlätta förverkligandet av högpresterande nanoelektroniska enheter.