Kerrosten välinen ohjattava kontakti 2D-elektroniikalle

Kaksiulotteiset (2D) materiaalit ovat mullistaneet modernin materiaalitieteen osoittamalla, että sähköisiä, optisia ja mekaanisia ominaisuuksia voidaan säätää yksinkertaisesti säätämällä tällaisten 2D-materiaalien paksuutta, venymää tai pinoamisjärjestystä.

Singapore University of Technology and Design (SUTD) johtamat tutkijat ovat havainneet, että kevyt puristus riittää saamaan vismutin vaihtamaan sähköistä luonnettaan.

Tutkimusryhmä osoitti, että kun vain muutaman atomin paksuista vismuttikerrosta puristetaan tai "litistetään" ympäröivien materiaalien väliin, atomit järjestäytyvät uudelleen hieman aallotetusta rakenteesta täysin tasaiseksi. Tällä rakenteellisella litistymisellä, vaikka se onkin hienovaraista, on dramaattisia elektronisia seurauksia: se poistaa energia-aukon ja sallii elektronien liikkua vapaasti, mikä muuttaa materiaalin metalliksi.

”Kun vismuttilevystä tulee täysin tasainen, elektronitilat menevät päällekkäin ja materiaali alkaa yhtäkkiä johtaa sähköä metallin tavoin. Muutos tapahtuu kokonaan mekaanisen paineen vaikutuksesta”, sanoo SUTD:n postdoc-tutkija, tohtori Shuhua Wang.

Tämä yllättävä ilmiö on havaittu jo aiemmin mutta nyt uusi tutkimus tarjoaa puuttuvan teoreettisen selityksen. Yhdistämällä paineen, rakenteen ja elektronisen käyttäytymisen tutkimusryhmä osoitti, että van der Waalsin puristus litistää vismutin atomihilaa, mikä laukaisee metallisuudelle tarvittavan tarkan rakenteellisen ja elektronisen muutoksen.

Tutkijat ehdottivat edelleen MoS2 - Bi-MoS2 - kolmikerroksista heterorakennetta, jossa atomisen ohut vismutti toimii metallisena siltana kahden puolijohtavan kerroksen välissä.

Simulaatiot paljastivatkin silmiinpistävän epäsymmetrian: toinen MoS2 - kerros muodostaa ohmisen kontaktin metallisen Bi:n kanssa, kun taas toinen muodostaa suurempiresistanssisen Schottky-esteen. Soveltamalla pinoon kohtisuoraan ulkoista sähkökenttää tiimi osoitti, että tätä ohmista kontaktia voidaan vaihtaa ylä- ja alakerroksen välillä, jolloin sähkövirtaa voidaan ohjata kerrosten välillä tarpeen mukaan.

Tämä mekanismi, jota kutsutaan kerrosselektiiviseksi ohmiseksi kontaktiksi, on uusi virstanpylväs 2D-elektroniikassa. Se yleistää tutun metalli-puolijohde-rajapinnan kerrosriippuvaiseksi, kenttäohjattavaksi kontaktiksi – kerrostroniikan (layertronics) ydin, laitekonsepti, joka hyödyntää 2D-materiaalien kerrosten vapausastetta datankäsittelyssä ja -tallennuksessa.

”Perinteiset piirit johdotetaan kerran ja pysyvät ikuisesti”, sanoo apulaisprofessori Yee Sin Ang. ”MoS2 -Bi-MoS2- kolmikerroksisessa heterorakenteessa voimme muuttaa virran suuntaa yksinkertaisesti säätämällä sähkökenttää. Tämä tarkoittaa, että sama rakenne voi tehdä useita toimintoja ilman fyysistä uudelleenjohdotusta. Se on tärkeä askel kohti uudelleenohjelmoitavaa ja energiatehokasta nanoelektroniikkaa.”

Tällaiset edistysaskeleet voivat auttaa ratkaisemaan yhden modernin elektroniikan suurimmista haasteista: ultraohuiden transistoreiden ja liitäntöjen integroinnin tinkimättä kontaktien suorituskyvyistä.

Aiheesta aiemmin:

2D-materiaaleista 3D-elektroniikkaa tekoälylaitteistoihin

Uutta tekniikkaa 2D-materiaalin venytyksellä

Materiaalin atomijärjestelyn uudelleen maalaus