Tvådimensionella (2D) halvledare har en unik egenskap som gör att deras tjocklek kan reduceras till en eller ett fåtal atomer – och den här egenskapen kan potentiellt minimera de korta kanaleffekterna som fortfarande är ett problem i avancerade kiselbaserade transistorer, t.ex. transistor för tidigt.

Trots potentialen som 2D-halvledare har när det gäller att ersätta konventionella halvledande material som kisel i framtiden, kvarstår en viktig utmaning:deras låga bärarrörlighet vid rumstemperatur, orsakad av stark spridning mellan elektroner och fononer.

Väg- och trafikförhållanden bestämmer mängden tid och energi som en person spenderar på att resa från en plats till en annan. På ett liknande sätt mäter bärarrörlighet hur snabbt en bärare, såsom en elektron eller ett hål, kan röra sig genom ett material när det finns ett elektriskt fält. Denna egenskap avgör också om ett halvledande material är lämpligt för elektroniska enheter.

Hög bärarmobilitet kan effektivt minska strömförlusten i integrerade kretsar och sänka den totala strömförbrukningen, vilket förlänger livslängden för elektriska enheter eller system, samt minskar kostnaderna för att driva dessa enheter eller system.

Forskare från Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), Fudan University, National University of Singapore och Hong Kong Polytechnic University har nyligen funnit att placering av 2D-material på substrat med utbuktande morfologi kan förbättra bärarens rörlighet vid rumstemperatur med två beställningar. Dessa utbuktningar skapar ringar i materialet och förvränger på så sätt dess gitterstruktur – flyttar en eller flera atomer från sin ursprungliga position i en idealisk struktur.

Detta tillvägagångssätt står i kontrast till konventionella strategier som förlitar sig på perfekta gitterstrukturer för att förbättra bärarmobiliteten, eftersom varje form av förorening eller gallerförvrängning anses ha en negativ inverkan på rörligheten.

I en studie publicerad i Nature Electronics i juni 2022 observerade forskare att 2D-molybdendisulfid (MoS₂ ) med gitterförvrängningar skapa en större elektrisk polarisation som kan åternormalisera frekvensen av fononer. Denna omnormaliserade fononfrekvens minskar effektivt spridningsstyrkan mellan elektroner och fononer, vilket ökar bärvågsrörligheten i MoS₂ . Det betyder att elektroner nu kan röra sig snabbare genom materialet.

Studieresultat visar att bärarrörlighet vid rumstemperatur förbättras med två beställningar i rippled MoS₂ , och når cirka 900 cm ² V ^-1 s ^-1 . Det observerade resultatet överstiger den förutsagda fonon-begränsade mobiliteten för platt MoS₂ på 200–410 cm ² V ^-1 s ^-1 .

Genom studien skapade utbuktningar i gitterstrukturen i MoS₂ visade sig övervinna den inneboende bärarmobilitetsgränsen för materialet. Detta banar väg för MoS₂ och andra 2D-material som ska användas för att skapa fälteffekttransistorer och termoelektriska enheter med konkurrenskraftiga prestanda vid rumstemperatur.

"Vårt tillvägagångssätt är enkelt och kostnadseffektivt, och visar gitterteknik som en effektiv strategi för att skapa högpresterande rumstemperaturelektronik och termoelektriska enheter för framtida elektronik", säger Dr Wu Jing, forskare vid A*STARs IMRE.

"Vi avslöjar vidare den underliggande mekanismen att den förbättrade bärarmobiliteten beror på den undertryckta elektron-fononspridningen och den ökade inre dielektriska konstanten som induceras av de krusade strukturerna i 2D-halvledaren. Båda av dem spelar synergistiska effekter för att öka den inneboende bärarmobiliteten." sa Dr Yang Ming, biträdande professor vid institutionen för tillämpad fysik, Hong Kong Polytechnic University. + Utforska vidare

Använda gitterförvrängningar för att förbättra bärarmobiliteten i 2D-halvledare