En studie av syremolekyler som interagerar med atomärt tunna lager av material som utvecklas i takt med att nya generationer av halvledare kan avsevärt förbättra kontrollen över tillverkningen och tillämpningarna av dessa tvådimensionella (2D) material.
Arbetet, av forskare vid Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), i Sydkorea, med kollegor på andra håll i Sydkorea och i Japan, publiceras i tidskriften Advanced Science .
Det enda skiktet av bundna atomer som består av 2D-material kan ha halvledande egenskaper som är lämpliga för att tillverka elektroniska komponenter inklusive transistorer i mycket mindre skalor än vad som vanligtvis är möjligt. Detta kan flytta mikroelektroniken ner till nanoelektroniknivån och bygga små och mer effektiva kretsar, inklusive flexibla enheter och solceller.
Några av de mest lovande 2D-materialen är övergångsmetalldikalkogenider (TMD), som har element från övergångsmetallgrupperna i det periodiska systemet kombinerat med dubbelt så många kalkogenelement, särskilt svavel, selen och tellur. DGIST-teamet och deras kollegor arbetade med monolager TMD-kristaller av volfram och svavel, med formeln WS2 .
De undersökte syremolekylernas tendens att adsorberas på kristallernas defekta platser – svavelvakanser där en svavelatom saknas i WS2 gitterplatser. De undersökte interaktionerna mellan defekterna och syremolekylerna med en teknik som kallas elektronenergiförlustspektroskopi (EELS).
Detta använder ett elektronmikroskop för att avfyra elektroner genom materialet och analyserar sedan mönstren för energiförluster från elektronerna för att avslöja viktig strukturell information. EELS-resultaten kombinerades med insikter från optisk analys och teoretiska beräkningar.
Forskarna ägnade särskild uppmärksamhet åt förmågan hos adsorberade syremolekyler att fixeras på plats när WS2 kristaller var inkapslade i monolager av ett annat material – hexagonal bornitrid (h-BN) – ovanför och under WS2 lager. h-BN är en vanlig ingrediens i elektroniska och fotoniska enheter konstruerade med 2D TMD:er.
Att fixera syremolekylerna på plats på defekta platserna förändrar och stabiliserar det elektroniska beteendet hos TMD i en process som kallas passivering. Detta påverkar kristallerna på subtila sätt som kommer att påverka deras aktivitet i en rad applikationer.
"Vårt arbete ger en ny insikt i de defektrelaterade fenomenen i 2D TMDs, som kan utlösa revolutionerande metoder för att kontrollera defekttillstånden", säger halvledare och nanofotonikspecialist Prof. Chang-Hee Cho från DGIST-teamet.
"Vi hoppas nu kunna utveckla nya experimentella tillvägagångssätt och tekniker för att kontrollera defekttillstånden hos 2D TMD:erna med hjälp av h-BN-inkapsling," tillägger Cho. "Detta kommer att tillåta oss att flytta metoden mot att vara redo för fullskalig utveckling och eventuell kommersiell användning."
Mer information: Jin-Woo Jung et al, Defektpassivering av 2D-halvledare genom att fixera kemisorberade syremolekyler via h-BN-inkapslingar, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202310197
Journalinformation: Avancerad vetenskap
Tillhandahålls av Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology
