Dwuwymiarowy półprzewodnik
Dwuwymiarowy półprzewodnik ( znany również jako półprzewodnik 2D ) to rodzaj naturalnego półprzewodnika o grubości w skali atomowej. Gejm i Nowosiołow i in. zapoczątkowali tę dziedzinę w 2004 roku, kiedy opisali nowy materiał półprzewodnikowy grafen , płaską pojedynczą warstwę atomów węgla ułożonych w dwuwymiarową siatkę o strukturze plastra miodu . Jednowarstwowy półprzewodnik 2D jest znaczący, ponieważ wykazuje silniejsze sprzężenie piezoelektryczne niż tradycyjnie stosowane formy masowe. To sprzężenie może umożliwić aplikacje. Jednym z obszarów badań jest projektowanie nanoelektroniki komponentów dzięki zastosowaniu grafenu jako przewodnika elektrycznego , sześciokątnego azotku boru jako izolatora elektrycznego oraz dichalkogenku metalu przejściowego jako półprzewodnika .
Materiały
Grafen
Grafen, składający się z pojedynczych arkuszy atomów węgla, ma wysoką ruchliwość elektronów i wysoką przewodność cieplną . Jednym z problemów związanych z grafenem jest brak pasma wzbronionego , co stanowi problem w szczególności w elektronice cyfrowej, ponieważ nie jest w stanie wyłączyć tranzystorów polowych (FET). Nanocząstki innych pierwiastków grupy IV (Si, Ge i Sn) wykazują właściwości strukturalne i elektroniczne podobne do grafenu.
-side-3D-balls.png)
Sześciokątny azotek boru
Jednowarstwowy heksagonalny azotek boru (h-BN) jest izolatorem z dużą przerwą energetyczną (5,97 eV). Jednak może również działać jako półprzewodnik o zwiększonej przewodności ze względu na zygzakowate ostre krawędzie i wolne miejsca. h-BN jest często używany jako podłoże i bariera ze względu na swoje właściwości izolacyjne. h-BN ma również dużą przewodność cieplną.
Dichalkogenki metali przejściowych
Monowarstwy dichalkogenków metali przejściowych (TMD lub TMDC) to klasa dwuwymiarowych materiałów o wzorze chemicznym MX 2 , gdzie M oznacza metale przejściowe z grupy VI, V i VI, a X oznacza chalkogen, taki jak siarka , selen lub tellur . MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 i WSe 2 są TMDC. TMDC mają strukturę warstwową z płaszczyzną atomów metalu pomiędzy dwiema płaszczyznami atomów chalkogenu, jak pokazano na rysunku 1. Każda warstwa jest silnie związana w płaszczyźnie, ale słabo w warstwach pośrednich. Dlatego TMDC można łatwo złuszczać na atomowo cienkie warstwy różnymi metodami. TMDC wykazują zależne od warstwy właściwości optyczne i elektryczne. Po złuszczeniu na monowarstwy pasma wzbronione kilku TMDC zmieniają się z pośrednich na bezpośrednie, co prowadzi do szerokich zastosowań w nanoelektronice, optoelektronice i komputerach kwantowych .
Chalkogenki III-IV
Inną klasą półprzewodników 2D są chalkogenki III-IV. Materiały te mają wzór chemiczny MX, gdzie M to metal z grupy 13 ( Ga , In ), a X to atom chalkogenu ( S , Se , Te ). Typowymi członkami tej grupy są InSe i GaSe , z których oba wykazały wysoką mobilność elektronową i pasmo wzbronione odpowiednie dla szerokiego zakresu zastosowań elektronicznych.
Synteza
Dwuwymiarowe materiały półprzewodnikowe są często syntetyzowane metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). Ponieważ CVD może zapewnić duży obszar, wysokiej jakości i dobrze kontrolowany warstwowy wzrost materiałów półprzewodnikowych 2D, umożliwia również syntezę dwuwymiarowych heterozłączy . Podczas budowania urządzeń poprzez układanie różnych materiałów 2D często stosuje się mechaniczne złuszczanie , a następnie przenoszenie. Inne możliwe metody syntezy obejmują osadzanie elektrochemiczne , eksfoliację chemiczną, syntezę hydrotermalną i rozkład termiczny . W 2008 roku po raz pierwszy zsyntetyzowano metodą koloidalną płytki selenku kadmu CdSe quasi 2D o grubości kilku warstw atomowych i rozmiarach bocznych do kilkudziesięciu nanometrów. Modyfikacja procedury pozwoliła na otrzymanie innych nanocząstek o innych składach (takich jak stopy CdTe, HgSe, CdSe x S 1−x , heterostruktury rdzeń/powłoka i rdzeń/korona) oraz kształtach (jak zwoje, nanowstążki itp.).
Proponowane zastosowania
Niektóre zastosowania obejmują urządzenia elektroniczne, urządzenia fotoniczne i urządzenia do pozyskiwania energii oraz elastyczne i przezroczyste podłoża. Inne zastosowania obejmują kwantowe urządzenia kubitowe, ogniwa słoneczne i elastyczną elektronikę.
Obliczenia kwantowe
za przykład heterodwuwarstwę ZrSe 2 /SnSe 2 . Dalsze prace eksperymentalne potwierdziły te przewidywania dla przypadku heterodwuwarstwy MoS 2 /WS 2 .
magnetyczny NEMS
Warstwowe materiały magnetyczne 2D są atrakcyjnymi budulcem systemów nanoelektromechanicznych (NEMS): chociaż mają wysoką sztywność i wytrzymałość oraz niską masę z innymi materiałami 2D, są magnetycznie aktywne. Wśród dużej klasy nowo powstałych dwuwymiarowych warstwowych materiałów magnetycznych, szczególnie interesujący jest kilkuwarstwowy CrI3, którego magnetyczny stan podstawowy składa się z antyferromagnetycznie sprzężonych monowarstw ferromagnetycznych (FM) z łatwą osią poza płaszczyzną. Interakcja wymiany między warstwami jest stosunkowo słaba, pole magnetyczne rzędu 0,5 T w kierunku poza płaszczyzną (𝒛) może indukować przejście spin-flip w dwuwarstwie CrI3. Niedawno zademonstrowano niezwykłe zjawiska i koncepcje urządzeń oparte na wykrywaniu i kontrolowaniu stanu magnetycznego między warstwami, w tym gigantyczny magnetoopór filtra spinowego, przełączanie magnetyczne przez pole elektryczne lub domieszkowanie elektrostatyczne oraz tranzystory spinowe. Sprzężenie między właściwościami magnetycznymi i mechanicznymi w atomowo cienkich materiałach, podstawa magnetycznego NEMS 2D, pozostaje jednak nieuchwytne, chociaż zbadano NEMS wykonany z grubszych materiałów magnetycznych lub pokryty metalami FM.