Hiiliseostus muuttaa puolijohtavaa 2D-materiaalia

Kuvaus plasma-avusteisesta hiili-vety typpisestä seostuksesta WS2-hilassa.

Penn Staten -tutkijoiden mukaan tekniikka, joka tuo hiili-vety-molekyylit puolijohdemateriaali volframidisulfidin yhteen atomikerrokseen, muuttaa merkittävästi materiaalin elektronisia ominaisuuksia. He sanovat voivansa luoda tällä materiaalilla uuden tyyppisiä energiatehokkaiden valosähköisten ja elektronisien piirien komponentteja.

”Olemme onnistuneesti esittäneet hiililajeja puolijohdemateriaalin monokerroksiin,” toteaa materiaalitieteen ja -tekniikan tohtoriopiskelija Fu Zhang.

Ennen hiiliseostusta, puolijohteinen siirtymämetalli-dikalkogenidi (TMD), oli n-tyyppinen. Kun hiiliatomeilla korvattiin rikkiatomit, yhden atomin paksuinen materiaali kehitti kaksisuuntaisen vaikutuksen, p-tyypin aukkohaaran ja n-tyypin elektronihaaran. Seurauksena oli ambipolaarinen puolijohde.

"Se, että voit muuttaa ominaisuuksia dramaattisesti lisäämällä niin vähän kuin kaksi atomiprosenttia, oli jotain odottamatonta", toteaa professori Mauricio Terrones.

Zhangin mukaan, kun materiaali on erittäin seostettu hiilellä, tutkijat voivat tuottaa degeneroituneen p-tyypin, jolla on erittäin suuri kantajaliikkuvuus. "Voimme rakentaa n+/p/n+ ja p+/n/p+ -liitoksia ominaisuuksilla, joita ei ole ennen nähty tämän tyyppisellä puolijohteella", hän sanoi. Transistorien lisäksi tämäntyyppinen materiaali voi olla hyvä myös sähkökemialliselle katalyysille sillä se voi parantaa puolijohteen johtavuutta ja olla samalla katalyyttinen, toteavat tutkijat.

2D-materiaalien seostus on vielä tieteellisellä tasolla koska se vaatii useita prosesseja samanaikaisesti tietyissä olosuhteissa. Tällä kertaa tutkijat käyttivät tarkkaan säädettyä plasmatekniikkaa, jonka avulla saatiin rikkiatomi irti atomikerroksesta ja korvattua se hiili-vety-yksiköllä.

Tutkimuksen aikana materiaalitieteiden ja tekniikan laitoksen professori Susan Sinnott toimitti teoreettisia laskelmia, jotka ohjailivat kokeellista työtä. Kun Terrones ja Zhang havaitsivat, että 2D-materiaalin seostus muutti sen optisia ja elektronisia ominaisuuksia - mitä he eivät olleet koskaan nähneet - Sinnottin tiimi ennusti parhaan atomin löydön ja ennustaa ominaisuuksia, jotka vastasivat kokeeseen.

Professorin Saptarshi Dasin ryhmä mittasi sitten kantajien liikenteen eri transistoreissa kasvavilla hiilen korvausmäärillä. He totesivat, että johtavuus muuttui radikaalisti, ja se oli täysin muuttanut negatiivisesta positiiviseen.

Aiheesta aiemmin:

Kaksiulotteisten materiaalien hienosäätöä

Grafeeniin viritettävä kaistarakenne seostuksella