Kaksiulotteisten materiaalien hienosäätöä

Tieteilijät ovat tutkineet miten 2D-elektronikaasua voidaan käyttää muun muassa suprajohteissa, toimilaitteissa ja elektronisissa muistipiireissä.

Japanilaisen Tohoku yliopiston tutkijat, yhdessä kansainvälisten kollegoiden kanssa, tunnistivat hiljattain perovskiittityyppisen materiaaliryhmän atomirakenteen, joka osoitti mielenkiintoisia kaksiulotteisia johtavia ominaisuuksia.

Tutkitut materiaalit koostuivat strontium-, niobium- ja happiatomeista. Tutkimuslaitteidensa tulokset yhdistettynä teoreettisiin laskelmiin osoittivat, miten happiatomien lisääminen strontium-niobaatteihin vaikuttavat niiden johtavuuteen.

Happiatomien pitoisuudesta riippuen muodostui neljä eri materiaalia. Niistä kolme oli sähkönjohteita ja neljäs eriste. Atomien mittakaavassa materiaali muodostui vuorottelevista ketjun kaltaisista ja siksak-tasoista.

Riippuen happiatomien pitoisuudesta, ketjun kaltaiset levyt olivat materiaalin sisällä kaksi, kolme tai neljä kerrosta paksuja. Siksak-tasot olivat eristäviä kerroksia kaikissa materiaaleissa, kun taas ketjumaiset tasot olivat johtavia kolmessa neljästä materiaalista.

Kaksiulotteiset johtavat kerrokset muodostetaan tavallisesti luomalla rajapinta kahden eristeen välille. Nyt on mahdollista saavuttaa sama tavoite segmentoimalla 3D-johtavat materiaalit pinnoiksi 2D johtavien kerrosten erottamilla eristekerroksilla, tutkijat kertovat ACS Nano -lehdessä julkaistussa tutkimuksessaan.

Ympäri maailmaa etsitään myös keinoja parantaa kaksiulotteisten materiaalien suorituskykyä tulevissa elektroniikka-, fotoniikka- ja muistipiirisovelluksissa.

Tutkijat tekevät 2D-materiaaleja kuorintamenetelmällä tai kondensoimalla kaasun esiaste substraatille mutta menetelmä ei ole realistinen piirivalmistuksessa. Teollisissa sovelluksissa vakiintunut menetelmä tuottaa heikomman suorituskyvyn 2D-kalvoja.

Penn State Universityn johtamat tutkijat osoittivat, miksi kemiallisen höyrysaostusmenetelmän avulla kasvatettujen 2D-materiaalien laatu on heikko verrattuna niiden teoreettisiin ennusteisiin.

Osoittautui, että käytetty safiirialusta sotkee elektronejaan kalvoon ja siten rajoittaa sekä fotoluminesenssin intensiteettiä että kantajien käyttöikää, kaksi tärkeää ominaisuutta optoelektronisissa sovelluksissa.

Sitten toinen tutkimusryhmä kehitti tähän löytöön sopivan seostustekniikan. Käyttäen hapella käsiteltyä substraattipintaa ryhmä poisti alustan vaikutuksen ja seosti molybdeenidisulfidin 2D-kalvoa reniumatomeilla.

Tällä substraatilla seostus saattoi nousta jopa 1 atomiprosenttiin, mikä on korkein koskaan raportoitu dopingkonsentraatio. Odottamaton lisähyöty oli, että seostus passivoi rikkivakansseja, jotka ovat olleet pitkäaikainen ongelma 2D-materiaaleissa.

Aiheesta aiemmin:

Elektronien poukkoilua kaksiulotteisissa