Veijo Hänninen

Kohti kaksiulotteista elektroniikkaa

Sitten grafeenin löydön vuonna 2004 erilaiset kaksiulotteiset materiaalit ovat olleet tiedemiesten herpaantumattoman mielenkiinnon kohteina.

Erilaisia kaksiulotteisina pysyviä materiaaliyhdistelmiä on löytynyt jo useita satoja joista elektroniikka-alaa on innostanut eniten molybdeenidisulfidi eli MoS2.

Vakaimmassa muodossaan MoS2 on kerrostettu siirtymämetallien dikalgogenidi (TMD), jossa MoS2-kerrokset on sisäisesti yhdessä heikoilla van der Waalsin voimilla ja atomit kussakin yksittäisessä MoS2-kerroksessa on kovalenttisesti sitoutuneita.

MoS2 on puolijohde, jolla on suora aukko (1,8 eV), kun se on yksikerroksinen tai epäsuora aukko (1,29 eV) monikerroksisessa muodossaan. Muita kiinnostavia kaksiulotteisia ovat WSe2 ja WS2, joiden kaistaerot ovat 1,6 ja 1,7 eV.

Vaikka MoS2-kerrosta voidaan käyttää kenttävaikutustransistoreihin ja optoelektronisiin laitteisiin, MoS2:n massiivinen integrointi nanoelektroniikkaan ei oikein onnistu, johtuen vaikeudesta syntetisoida MoS2:ta suuria aloja.

Uusimpana ilmiönä MoS2:sta on löydetty kaksi epätavallista optista kaistaeroa ja että MoS2:n energian varastointikapasiteettia tai dielektristä toimintaa voidaan muuttaa happea käyttämällä. Jatkossa National University of Singaporen (NUS) tutkijat selvittävät, josko muistakin kaksiulotteisista TMD-materiaaleista löytyisi vastaavanlaisia ilmiöitä.

2D-piitä CMOS-tekniikkaan

Edelleen nanoelektroniikkaa kiinnostavat grafeenin tapaiset yhden atomin kaksiulotteisien Xene -ryhmien (graphene) luokka. Näissä 2D-materiaaleissa on yksi X-rakenneosa ja kuusikulmainen hilasymmetria.

Niihin kuuluvat tällä hetkellä borofeeni, germaneeni, fosforeeni, staneeni ja siliseeni.Toisin kuin grafeeni, Xenet eivät ole luonteeltaan stabiileja, koska niillä on taipumus muodostaa sp3-hybridisidos sp2:n sijasta, mutta niitä voidaan epitaksisesti kasvattaa substraateilla. Haittana on vertikaalisesti kupristuvan rakenteen syntyminen, joka poikkeaa grafeenin täydellisestä tasomaisuudesta.

Ensimmäinen FET-piiriksi integroitu X-eeni oli siliseeni, joka osoitti ambipolaarista käyttäytymistä huoneenlämpötilassa. Siliseenitransistorin todistus vuonna 2015 toi esiin mahdollisuuden yhdistää CMOS-teknologia ja ultra-ohuet piikanavat, tuoden näin myös piin elektroniikkaan kaksiulotteisesti.

Joustavia ja muokattavia

Useimmille 2D-materiaaleille on ominaista, että ne ovat joustavia, läpinäkyviä ja niitä voidaan virittää helpommin kuin niiden perusmateriaalisia versioita. Niiden elektroninen rakenne vaihtelee eristeistä puolijohteisiin, joilla on viritettävät aukot aina puolimetallisiin, riippuen alustasta, kemiallisesta funktionalisoinnista ja rasituksesta.

Yhden kerroksen lisääminen yksikerroksiseen materiaaliin muuttaa merkittävästi sen paksuutta. Niin ei tapahdu bulkkimateriaalissa. Ja koska kaikki atomit yksikerroksisessa kalvossa ovat alttiina, ne ovat kaikki käytettävissä kemiallisen muunnoksen, mikä voi edelleen muuttaa elektronisia ominaisuuksia. Perusmateriaalissa suurin osa atomista on pinnan alla, eivätkä ne ole käytettävissä kemialliseen muokkaukseen.

2D-materiaalien ohuus mahdollistaa myös sähköisten kenttien vuotamisen niiden läpi ja olla siten vuorovaikutuksessa muiden materiaalien kanssa. Tämä ominaisuus voisi antaa tutkijoille mahdollisuuden hallita kyseisten taustalla olevien kerrosten sähköisiä ominaisuuksia.

Tätä ainutlaatuista sähköstaattista penetraatiota voisi käyttää tekemään uuden tyyppisiä diodeja, muistipiirejä ja muita rakenteita, jotka olisi mahdotonta tehdä irtotavarana olevilla puolijohteilla.

Ensin tarvitaan kontaktit

Keväällä 2016 National Renewable Energy Laboratoryn (NREL) tutkijat kertoivat selvittäneensä tavan voittaa pääasialliset esteet käyttää kaksiulotteisia puolijohteita elektroniikan valmistukseen.

Jotta vain muutamien atomikerroksien paksuisia puolijohteita voisi soveltaa, on voitettava suuresta ja viritettävästä Schottky-esteestä johtuvat rajoitukset puolijohteen ja metallikontaktin välissä. Tutkijat havaitsivat, että Schottky-esteen korkeutta voidaan säätää tai jopa hävittää kokonaan, käyttämällä tiettyjä 2D-metalleja elektrodeina. Tällaiset säädöt eivät ole mahdollisia tavanomaisilla kolmiulotteisilla metalleilla, johtuen vahvasta Fermi level pinning (FLP) vaikutuksesta.

Tutkijat teoretisoivat 2D-metallien olevan sellaisia, joita voisivat sitoutua 2D-puolijohteiden kanssa van der Waalsin vuorovaikutuksien kautta. Koska tämä vuorovaikutus on suhteellisen heikko, metallien aiheuttamat rakotilat tukahtuvat ja FLP-vaikutus on olematon. Tämä tarkoittaa sitä, että Schottky muuttuu erittäin viritettäväksi.

Valitsemalla sopiva 2D-metalli/2D-puolijohde pari, este voidaan kutistaa lähes nollaan Tutkijatrio ennustaa, että kuusikulmainen faasi niobiumdisulfidia (NbS2) on lupaavin aukkojen injektiolle ja vahvasti typpiseostettu grafeeni voi mahdollistaa tehokkaan elektronien injektion 2D puolijohteeseen.

Kolmen atomin paksuisia piirejä

Loppuvuodesta 2016 Stanfordin yliopiston professori Eric Popin johdolla osoitettiin, miten voisi olla mahdollista valmistaa teollisesti atomisesti ohutta materiaalia ja elektroniikkaa.

Ryhmän työ alkoi valmistamalla molybdeenidisulfidikide tarpeeksi suureksi, jotta siihen voi muodostaa sirun piirit. Se edellytti suunnilleen peukalonkynnen kokoisen kiteen valmistamista ja se onnistui tarkoitukseen viritetyllä CVD-prosessilla.

Lisäksi heidän oli kuvioitava materiaali sähköisiksi kytkimiksi ja ymmärrettävä niiden toimintaa. Työ tuotti myös havainnon, että erittäin puhtaat laskeumaolosuhteet ovat välttämättömiä tehdä hyvät metallikontaktit molybdeenidisulfidin kerroksien kanssa.

Kolmen atomikerroksen mikroprosessori

Sitten vuoden 2017 keväällä tohtori Thomas Mueller TU Wienin Photonic Institutesta tutkijaryhmineen onnistuivat tuottamaan yhden monimutkaisimmista piireistä, joita toistaiseksi on valmistettu kaksiulotteisesta materiaalista

Tuloksena on 115 transistorista koostuva 1-bittinen mikroprosessori. Se voi ajaa käyttäjän määrittämiä ulkoiseen muistiin tallennettuja ohjelmia, suorittaa loogisia operaatioita ja kommunikoida oheistoimintojen kanssa.

"Vaikka tämä tietenkin tuntuu vaatimattomalta verrattuna piihin perustuviin standardeihin, tämä on merkittävä läpimurto tällä tutkimusalalla. Nyt kun meillä on proof of concept, periaatteessa ei ole mitään syytä, ettei pidemmällekin voisi mennä ", totesivat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Piin kaveriksi

Stanfordin insinöörit ovat äskettäin tunnistaneet kaksi puolijohdetta - hafnium diselenidin ja zirkonium diselenidin – joilla on piin kanssa yhteensopiva kaistaero ja, että niiden pinta voi oksidoitua erittäin hyväksi eristeeksi.

Tutkijoiden kehittämien kaksiulotteisien puolijohteiden HfSe2 ja ZrSe2 kaistaerot ovat 0,9 - 1,2 elektronivolttia ja niille kehittyvä teknisesti toivottava luonnollinen high-k eriste vastaavasti HfO2 ja ZrO2.

Muutaman atomin paksuisten piirien ja korkean K-arvon eristeen yhdistelmä tarkoittaa, että näistä puolijohteista voitaisiin tehdä transistoreita 10 kertaa pienempänä kuin mikään muu, joka voitaisiin integroida piin kanssa.

Monipuolisia antureita

Tyypilliset 2D-heterorakenteet koostuvat tavallisesti kahdesta vastakkaisen tyypin varauskantajakerroksesta epäorgaanista materiaalia.

Temple Universityn tutkijat ovat selvittäneet, että voi olla myös varaustensiirron (CT) indusoimaa rajapinnan kytkentää kahden erilaisen orgaanisen CT-kerrosparin välillä.

Lisäksi näiden orgaanisten van der Waals -heterorakenteiden (vdWHs) fysikaalisia ominaisuuksia voidaan virittää ulkoisilla ärsykkeillä. Syntyneenä vasteena voi olla pietsoresistanssi, resistiivisyys ja magnetokonduktanssi, joten niitä voidaan käyttää monitoimisten antureiden perustana.

Vanderbiltin yliopiston tutkijat loivat puolestaan prosessin, joka tuottaa kuviollisia yksikerroksia, jotka voivat toimia perustana luoda uusia materiaaleja, joilla on kaksi optista, magneettista, katalyyttistä tai tunnistavaa (sensing) ominaisuutta.

Tutkijaryhmä osoitti, että kaksi kalkogenidia (platina-seleeni ja kupari-seleeni) yhdistyvät luonnollisesti nanomittakaavan tarkkuudella vuorotteleviksi kolmioiksi, joilla on eri faasit: metallinen ja puolijohde.

Koska jokaisella faasilla on erilaiset sähköiset ja kemialliset ominaisuudet, kaksi erityyppistä molekyyliä voi sitoutua sen pintaan, jolloin se voi suorittaa kaksi toimintoa samanaikaisesti.

Yksiulotteista metallimateriaalia

Alan tutkijat ovat kehittäneet myös maailman ohuimman metallisen nanojohtimen, jota voitaisiin käyttää kutistamaan monia elektronia komponentteja.

Cambridgen ja Warwickin yliopistojen tutkijat ovat kehittäneet langan, joka on valmistettu yhdestä jonosta telluuriatomeja, joten se on todella yksiulotteinen materiaali. Nämä yksiulotteiset langat tuotetaan erittäin ohuita hiilinanoputkien (CNT) sisällä – jotta ne eivät heti hajoa.

Näiden nanolankojen muotoa ja sähköistä käyttäytymistä voidaan muuttaa vaihtelemalla niitä kapseloivien CNT-putkien halkaisijoita.

Magneettisuutta, kvantti-ilmiötä ja topologiaa

Viime vuosina tutkituista 2D-materiaaleista on löytynyt muun muassa odottamatonta magneettisuutta.

Myös niiden spinien dynamiikkaa on tutkittu ja siten luotu näkymiä hyödyntää niitä myös tulevan spintroniikan parissa.

Alkuvuodesta 2017 University of Kansasin tutkimusten mukaan elektronien kvanttiliikkuvuus MoS2-, WS2- ja MoSe2-materiaalien atomikerroksien välillä osoitti potentiaalisia sovelluksia ohuille van der Waalsin materiaaleille elektroniikassa ja fotoniikassa.

"Elektronit voivat näkyä ensimmäisessä kerroksessa, sitten kolmannessa kerroksessa, käymättä koskaan toisessa kerroksessa", toteaa Kansasin yliopiston Hui Zhao.

Koska tällainen kvanttiliikenne on erittäin tehokasta, Zhao toteaa, sillä voi olla keskeinen rooli uudenlaisissa materiaaleissa, joita kutsutaan van der Waalsin -aineiksi. Niitä voitaisiin käyttää joskus aurinkokennoissa ja elektroniikassa.

University of Pennsylvania tutkijat ovat puolestaan ensimmäisten joukossa tuottaneet yksittäisen, kolmen atomin paksuisen kerroksen ainutlaatuista kaksiulotteista materiaalia eli volframi ditelluridia.

Toisin kuin muilla kaksiulotteisilla materiaaleilla, tutkijat uskovat materiaalillaan olevan ns. topologiset elektronitilat. Tämä tarkoittaa sitä, että sillä voi olla useita erilaisia ominaisuuksia, ei vain yksi.

"Koska volframi ditelluridi on kolmen atomin paksuinen, atomit voidaan järjestää eri tavoin", Johnson sanoi. "Nämä kolme atomia voivat ottaa hieman eri kokoonpanoja suhteessa toisiinsa. Yhden kokoonpanon on ennustettu antavan näille topologisia ominaisuuksia.

Oksidia ja valon nopeutta

Maailman ohuin oksidi puolijohde on vain yhden atomin paksuinen. Tämä Etelä-Korealaisen Ulsan National Institute of Science and Technologyn (UNIST) tutkijaryhmän kehittämä materiaali voi avata uusia mahdollisuuksia ohuille, läpinäkyville ja joustava elektronisille laitteille, kuten ultra-pienet anturit.

Materiaali on muodostettu kasvattaen yhden atomin paksuinen ZnO -kerros grafeenille. Kokeissa sen kaistaeroksi tuli jopa 4,0 eV. Mitä suurempi kaistaeron energia, sitä pienempi vuotovirta ja ylimääräinen kohina. University of Californian johtama fyysikkoryhmä valmisti 2017 uusia kaksiulotteisia materiaaleja, joilla on todella merkittävät sähköiset ja magneettiset ominaisuudet.

Niistä voisi tehdä rakenneosia tulevaisuuden topologisille kvanttitietokoneille ja muulle elektroniikalle.Tutkimus tehtiin erittäin kylmissä olosuhteissa ja osoittautui että signaalin kantajat eivät olleet elektroneja - niin kuin perinteisissä elektroniikassa - vaan Dirac tai Majorana fermioneja, hiukkasia ilman massaa, jotka liikkua lähes valon nopeudella.

Syyskuu 2017