05.02.2021 - Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)

Fein abgestimmt: Einstellung der Zusammensetzung und Eigenschaften von halbleitenden 2D-Legierungen

Wissenschaftler realisieren experimentell 2D-Si-Ge-Legierungen mit abstimmbaren elektronischen Eigenschaften und kommen damit einem Durchbruch in der modernen Elektronik näher

Halbleitende 2D-Legierungen könnten der Schlüssel sein, um die technischen Grenzen der modernen Elektronik zu überwinden. Obwohl 2D-Si-Ge-Legierungen für diesen Zweck interessante Eigenschaften hätten, wurden sie bisher nur theoretisch vorhergesagt. Nun haben Wissenschaftler des Japan Advanced Institute of Science and Technology den ersten experimentellen Nachweis erbracht. Sie haben auch gezeigt, dass das Verhältnis von Si zu Ge eingestellt werden kann, um die elektronischen Eigenschaften der Legierungen fein abzustimmen, was den Weg für neue Anwendungen ebnet.

Legierungen - Materialien, die aus einer Kombination verschiedener Elemente oder Verbindungen bestehen - haben seit der Bronzezeit eine entscheidende Rolle in der technologischen Entwicklung des Menschen gespielt. Heutzutage ist das Legieren von Materialien mit ähnlichen Strukturen und kompatiblen Elementen unerlässlich, da es uns ermöglicht, die Eigenschaften der endgültigen Legierung genau auf unsere Bedürfnisse abzustimmen.

Die Vielseitigkeit, die das Legieren bietet, erstreckt sich natürlich auch auf den Bereich der Elektronik. Halbleiterlegierungen sind ein Gebiet aktiver Forschung, da neue Materialien benötigt werden, um die Bausteine elektronischer Geräte (Transistoren) neu zu gestalten; in dieser Hinsicht werden zweidimensionale (2D) Halbleiterlegierungen als eine vielversprechende Option angesehen, um die technischen Grenzen der modernen Elektronik zu überwinden. Leider lässt sich Graphen, das kohlenstoffbasierte Aushängeschild für 2D-Materialien, nicht so einfach legieren und scheidet damit aus.

Es gibt jedoch eine attraktive Alternative: Silicen. Dieses Material besteht vollständig aus Silizium (Si)-Atomen, die in einer wabenartigen 2D-Struktur angeordnet sind, die an Graphen erinnert. Könnten die Eigenschaften von Silicen nach Bedarf eingestellt werden, würde das Feld der 2D-Nanoelektronik auf Siliciumbasis abheben. Obwohl theoretisch vorhergesagt wurde, dass die Legierung von Silicen mit Germanium (Ge) stabile 2D-Strukturen mit durch das Si/Ge-Verhältnis einstellbaren Eigenschaften ergeben würde, wurde dies in der Praxis nie realisiert.

Nun hat ein Team von Wissenschaftlern des Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) experimentell einen neuen Weg demonstriert, eine Silicen-Schicht zu züchten und einen Teil der Atome stabil durch Ge zu ersetzen, so dass sie einige der elektrischen Eigenschaften fein abstimmen können.

Ihre Studie ist in Physical Review Materials veröffentlicht.

Zunächst wuchsen die Wissenschaftler eine einzelne Schicht aus 2D-Silicen auf einer Zirkoniumdiborid (ZrB2)-Dünnschicht, die auf einem Siliziumsubstrat gewachsen war, durch die Oberflächenausscheidung von Si-Atomen, die in einer 2D-wabenartigen Struktur kristallisieren. Diese Siliciumschicht war jedoch nicht perfekt flach; ein Sechstel aller Si-Atome lag etwas höher als der Rest und bildete periodische Erhebungen oder "Vorsprünge".

Anschließend wurden Ge-Atome im Ultrahochvakuum auf die Silicenschicht abgeschieden. Interessanterweise zeigten sowohl theoretische Berechnungen als auch experimentelle Beobachtungen durch Mikroskopie und Spektroskopie, dass Ge-Atome nur die hervorstehenden Si-Atome ersetzen konnten. Durch Einstellung der Anzahl der abgeschiedenen Ge-Atome konnte eine Si-Ge-Legierung mit einem gewünschten Si/Ge-Verhältnis hergestellt werden. Die Zusammensetzung des endgültigen Materials wäre dann Si6-xGex, wobei x eine beliebige Zahl zwischen 0 und 1 sein kann.

Das Team untersuchte dann die Auswirkungen dieses einstellbaren Si/Ge-Verhältnisses auf die elektronischen Eigenschaften der Si/Ge-Legierung. Sie fanden heraus, dass die elektronische Bandstruktur, eine der wichtigsten Eigenschaften eines Halbleiters, innerhalb eines bestimmten Bereichs durch Manipulation der Zusammensetzung des Materials eingestellt werden kann. Aufgeregt über die Ergebnisse bemerkt Senior Lecturer Antoine Fleurence vom JAIST, Hauptautor der Studie: "Silizium und Germanium sind Elemente, die häufig in der Halbleiterindustrie verwendet werden, und wir haben gezeigt, dass es möglich ist, die Bandstruktur von 2D-Si-Ge-Legierungen auf eine Art und Weise zu gestalten, die an die von Bulk-(3D)-Si-Ge-Legierungen erinnert, die in verschiedenen Anwendungen verwendet werden."

Die Implikationen dieser Studie sind aus mehreren Gründen wichtig. Erstens ist die ultimative Dünnheit und Flexibilität von 2D-Materialien für viele Anwendungen attraktiv, weil sie dadurch leichter in Geräte des täglichen Lebens integriert werden könnten. Zweitens könnten die Ergebnisse den Weg für einen Durchbruch in der Elektronik ebnen. Die Mitautorin der Studie, Professor Yukiko Yamada-Takamura vom JAIST, erklärt: "Halbleitende 2D-Materialien aus Silizium und Germanium mit atomar präziser Dicke könnten die Abmessungen der elementaren Bausteine elektronischer Geräte weiter verringern. Dies wäre ein technologischer Meilenstein für siliziumbasierte Nanotechnologien."

Insgesamt zeigt diese Studie nur einige der Vorteile des Legierens als eine Möglichkeit, Materialien mit wünschenswerteren Eigenschaften herzustellen als solche, die aus einem einzigen Element oder einer einzigen Verbindung bestehen. Hoffen wir, dass halbleitende 2D-Legierungen weiter verfeinert werden, so dass sie in elektronischen Geräten der nächsten Generation das Rampenlicht einnehmen können.

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