Halvledande 2D-legeringar kan vara nyckeln till att övervinna de tekniska begränsningarna hos modern elektronik. Även om 2-D Si-Ge-legeringar skulle ha intressanta egenskaper för detta ändamål, de förutspåddes bara teoretiskt. Nu, forskare från Japan Advanced Institute of Science and Technology har genomfört den första experimentella demonstrationen. De har också visat att Si till Ge-förhållandet kan justeras för att finjustera legeringarnas elektroniska egenskaper, banar väg för nya tillämpningar.

Legeringar – material som består av en kombination av olika grundämnen eller föreningar – har spelat en avgörande roll i människans tekniska utveckling sedan bronsåldern. I dag, legeringsmaterial med liknande strukturer och kompatibla element är viktigt eftersom det gör det möjligt för oss att finjustera egenskaperna hos den slutliga legeringen för att matcha våra behov.

Den mångsidighet som legeringen ger sträcker sig naturligtvis till elektronikområdet. Halvledarlegeringar är ett område för aktiv forskning eftersom nya material kommer att behövas för att omforma byggstenarna i elektroniska enheter (transistorer); i detta avseende, tvådimensionella (2-D) halvledarlegeringar ses som ett lovande alternativ för att gå förbi de tekniska begränsningarna hos modern elektronik. Tyvärr, grafen, det kolbaserade affischbarnet för 2D-material, lämpar sig inte lätt för legering, vilket lämnar det utanför ekvationen.

Dock, det finns ett attraktivt alternativ:silicen. Detta material består helt av kiselatomer (Si) arrangerade i en 2-D bikakeliknande struktur som påminner om grafen. Om egenskaperna hos silicen kunde justeras efter behov, området för 2-D kiselbaserad nanoelektronik skulle ta fart. Även om legering av silicen med germanium (Ge) teoretiskt förutspåddes ge stabila 2D-strukturer med egenskaper som kan avstämmas av Si till Ge-förhållandet, detta förverkligades aldrig i praktiken.

Nu, ett team av forskare från Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) har experimentellt demonstrerat ett nytt sätt att odla ett silicenlager och stabilt ersätta en del av dess atomer med Ge, så att de kan finjustera några av dess elektriska egenskaper.

Deras studie publiceras i Material för fysisk granskning .

Först, forskarna odlade ett enda lager av 2-D silicen på en tunn zirkoniumdiborid (ZrB2) film odlad på ett kiselsubstrat genom ytsegregeringen av Si-atomer som kristalliseras i en 2-D bikakeliknande struktur. Dock, detta silicenskikt var inte perfekt platt; en sjättedel av alla Si-atomer var lite högre än resten, bildar periodiska stötar eller "utsprång".

Sedan, Ge-atomer avsattes på silicenskiktet under ultrahöga vakuumförhållanden. Intressant, både teoretiska beräkningar och experimentella observationer genom mikroskopi och spektroskopi visade att Ge-atomer bara kunde ersätta de utskjutande Si-atomerna. Genom att justera antalet deponerade Ge-atomer, en Si–Ge-legering med ett önskat Si till Ge-förhållande skulle kunna framställas. Sammansättningen av det slutliga materialet skulle alltså vara Si6−xGex, där x kan vara vilket tal som helst mellan 0 och 1.

Teamet studerade sedan effekterna av detta justerbara Si till Ge-förhållande på Si-Ge-legeringens elektroniska egenskaper. De fann att dess elektroniska bandstruktur, en av de viktigaste egenskaperna hos en halvledare, kan justeras inom ett specifikt område genom att manipulera materialets sammansättning. Spännande över resultatet, Universitetslektor Antoine Fleurence från JAIST, huvudförfattare till studien, anmärkningar, "Kisel och germanium är grundämnen som ofta används i halvledarindustrin, och vi visade att det är möjligt att konstruera bandstrukturen för 2-D Si-Ge-legeringar på ett sätt som påminner om det för bulk (3-D) Si-Ge-legeringar som används i olika applikationer."

Implikationerna av denna studie är viktiga av flera skäl. Först, den ultimata tunnheten och flexibiliteten hos 2D-material är tilltalande för många applikationer eftersom det betyder att de lättare kan integreras i enheter för det dagliga livet. Andra, resultaten kan bana väg för ett genombrott inom elektronik. Medförfattare till studien, Professor Yukiko Yamada-Takamura från JAIST, förklarar, "Halvledande 2D-material gjorda av kisel och germanium med atomär exakt tjocklek kan ytterligare minska dimensionerna på de elementära tegelstenarna i elektroniska enheter. Detta skulle representera en teknisk milstolpe för kiselbaserad nanoteknik."

Övergripande, denna studie visar bara några av fördelarna med legering som ett sätt att producera material med mer önskvärda egenskaper än de som är gjorda av ett enda grundämne eller en förening. Låt oss hoppas att halvledande 2D-legeringar förfinas ytterligare så att de kan ta rampljuset i nästa generations elektroniska enheter.