Полупроводники незаменимы в современную эпоху; Интегральные схемы на основе кремния поддерживают работу всего цифрового, от дискретных устройств, таких как компьютеры, смартфоны и бытовая техника, до компонентов управления для всех возможных промышленных приложений. Широкий спектр научных исследований был направлен на следующие этапы проектирования полупроводников, в частности, применение новых материалов для разработки более компактных и эффективных схем, которые используют квантово-механическое поведение материалов в нанометровом масштабе.
Особый интерес представляют материалы с принципиально другой размерностью; самый известный пример – графен, двумерная решетка атомов углерода, атомарно тонкая.
Дихалькогениды переходных металлов (или TMDC) являются многообещающими кандидатами для включения в новые полупроводниковые устройства. Состоящие из переходных металлов, таких как молибден и вольфрам, и халькогена (или элемента группы 16), такого как сера или селен, они могут образовывать слоистые кристаллические структуры, свойства которых резко меняются при изменении металлического элемента, от обычных металлов до полупроводников и даже сверхпроводников.
Управляя сплетением доменов разных TMDC в единую гетероструктуру (состоящую из доменов разного состава), можно создать атомно-тонкую электронику с отличными, превосходными свойствами по сравнению с существующими устройствами.
Команда во главе с доктором. Ю Кобаяси и доцент Ясумицу Мията из Токийского столичного университета были на переднем крае усилий по созданию двумерных гетероструктур с различными TMDC с использованием осаждения из паровой фазы, осаждения материала-предшественника в парообразном состоянии на поверхность для создания атомарно плоской поверхности. кристаллические слои.
Одной из самых больших проблем, с которыми они столкнулись, было создание идеально плоского интерфейса между разными доменами, важная функция для получения максимальной отдачи от этих устройств. Теперь им удалось разработать непрерывный процесс выращивания четко определенных кристаллических полос различных TMDC на краях существующих доменов, создавая полосы толщиной до 20 нм с другим составом. В их новом процессе используются жидкие прекурсоры, которые можно последовательно подавать в камеру для выращивания; за счет оптимизации скорости роста они смогли вырастить гетероструктуры с отдельными доменами, идеально связанными по атомно-прямым краям.
Они непосредственно изобразили связь с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), обнаружив отличное согласие с первопринципными численными моделированиями того, как должен выглядеть идеальный интерфейс. Команда использовала четыре разных TMDC, а также реализовала послойную гетероструктуру.
Создавая атомно-четкие границы раздела, электроны могут быть эффективно ограничены одномерными пространствами на этих 2D-устройствах для точного управления переносом электронов и удельным сопротивлением, а также оптическими свойствами. Команда надеется, что это откроет путь к устройствам с беспрецедентной энергоэффективностью и новыми оптическими свойствами.