Substratfehler entscheidend für das Wachstum von 2D-Materialien
Die Entwicklung zweidimensionaler Materialien, die groß genug sind, um sie in der Elektronik zu verwenden, ist trotz großer Anstrengungen eine Herausforderung, aber jetzt haben die Forscher von Penn State eine Methode zur Verbesserung der Qualität einer Klasse von 2D-Materialien entdeckt, mit dem Potenzial, in Zukunft ein Wachstum im Wafermaßstab zu erzielen.
Grafik mit einer Bornitrid-Oberfläche mit Wolframatomen, die dreieckige Bereiche verankert, die die Defektkontrolle der Orientierung veranschaulichen.
Xiaotian Zhang/Penn State
Das Feld der 2D-Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften ist in den 15 Jahren, in denen Konstantin Novoselov und Andre Geim eine einzige Atomschicht aus Kohlenstoffatomen mit einfachem Klebeband aus dem Bulk-Graphen zogen, explodiert. Obwohl an diesen kleinen Fragmenten von Graphen viel Wissenschaft betrieben wurde, sind industrietaugliche Schichten schwer zu züchten.
Von den Materialien, die für die Elektronik der nächsten Generation vorgesehen sind, steht eine Gruppe von Halbleitern namens Übergangsmetall-Dichalcogenide im Vordergrund. TMDs sind nur wenige Atome dick, aber sehr effizient bei der Lichtemission, was sie zu Kandidaten für die Optoelektronik wie Leuchtdioden, Photodetektoren oder Einzelphotonenemitter macht.
"Unser oberstes Ziel ist es, Monoschichtfilme aus Wolframdiselenid- oder Molybdändisulfidplatten herzustellen und sie mittels chemischer Dampfabscheidung so abzuscheiden, dass wir eine perfekte Einkristallschicht über einen ganzen Wafer erhalten", sagte Joan Redwing, Professor für Materialwissenschaft und Elektronik und Direktor des 2D Crystal Consortium von Penn State, einer Materials Innovationsplattform der National Science Foundation.
Das Problem liegt darin, wie sich Atome organisieren, wenn sie auf einem Standardsubstrat, wie beispielsweise Saphir, abgeschieden werden. Aufgrund der Kristallstruktur von TMDs bilden sie Dreiecke, wenn sie sich über das Substrat ausbreiten. Die Dreiecke können mit gleicher Wahrscheinlichkeit in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet werden. Wenn sie aneinander stoßen und ineinander übergehen, um ein kontinuierliches Blatt zu bilden, ist die Grenze, die sie bilden, wie ein großer Defekt, der die elektronischen und optischen Eigenschaften des Kristalls drastisch reduziert.
"Wenn die Ladungsträger, wie Elektronen oder Löcher, auf diesen Defekt stoßen, der als Umkehrbereichsgrenze bezeichnet wird, können sie sich streuen", sagte Redwing. "Das war ein klassisches Problem mit dem TMD-Wachstum."
In jüngsten Veröffentlichungen in den Zeitschriften ACS Nano und Physical Review B zeigen Forscher der Penn State's Departments of Materials Science and Engineering, Physics, Chemistry, and Engineering Science and Mechanics, dass, wenn die TMDs auf einer Oberfläche aus hexagonalem Bornitrid angebaut werden, 85 Prozent oder mehr in die gleiche Richtung weisen werden. Vin Crespi, angesehener Professor für Physik, Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften und Chemie, und seine Gruppe führten Simulationen durch, um zu erklären, warum dies geschah. Sie fanden heraus, dass freie Stellen in der hexagonalen Bornitridoberfläche, an der ein Bor- oder Stickstoffatom fehlte, ein Metallatom - Wolfram oder Molybdän - einfangen und dazu dienen könnten, die Dreiecke in eine bevorzugte Richtung auszurichten. Das verbesserte Material zeigte eine erhöhte Photolumineszenzemission und eine um eine Größenordnung höhere Elektronenmobilität im Vergleich zu 2D TMDs auf Saphir.
"Unser nächster Schritt ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Züchtung von hexagonalem Bornitrid über eine Waferskala", sagte Redwing. "Daran arbeiten wir gerade. Es ist schwierig, Defekte zu kontrollieren und eine Einkristallschicht über eine große Oberfläche zu erzeugen. Viele Gruppen arbeiten daran."
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