Vad är potentialen hos tvådimensionella halvledarmaterial för optoelektronik och relaterade enheter?

Tvådimensionella halvledarmaterial, särskilt svarta fosfor (BP) och MXenes, har på senare år framträtt som lovande kandidater inom områden som optoelektronik och avancerade elektroniska enheter. Dessa material kännetecknas av sina unika elektriska och optiska egenskaper, som gör dem särskilt intressanta för användning i högteknologiska tillämpningar.

Svart fosfor (BP) har visat sig ha exceptionellt höga mobiliteter för både elektroner och hål, särskilt i tunna lager där egenskaperna kan anpassas beroende på strukturen. I monolager och bilager av BP är mobiliteten för elektroner och hål fortfarande osäkra, och det behövs fler experiment för att förstå de bakomliggande mekanismerna. För BP-lager på 4 nm eller tjockare, placerade mellan h-BN-lager, observeras en imponerande hål-mobilitet på cirka 5000 cm² V⁻¹ s⁻¹ vid rumstemperatur. Detta gör materialet särskilt användbart för avancerade elektroniska tillämpningar.

Förutom BP, som erbjuder ett bandgap på omkring 0,33 eV, vilket gör det idealiskt för fotoniska tillämpningar, finns det även andra tvådimensionella material som visar stor potential. Bandgapet gör att BP starkt kan interagera med ljus över ett brett spektrum av våglängder, vilket även inkluderar de utmanande nära infraröda (IR) och mellan IR-intervallena. Denna unika egenskap gör BP till ett utmärkt alternativ för användning i en mängd tekniska tillämpningar, från sensorer till avancerade laser- och modulatorsystem. Vidare kan BP även tunnas ut med hjälp av plasma utan att dess elektriska eller fotoniska egenskaper påverkas nämnvärt.

Ytterligare viktiga egenskaper hos MXenes är deras exceptionella hydrophilitet och höga metallledningsförmåga, vilket gör dem särskilt intressanta som kontaktmaterial i fotodetektorer. Deras transparenta natur och lättillgängliga tillverkningsmetoder gör dem också lovande för tillämpningar inom optoelektronik där både hög ledningsförmåga och transparens är viktiga. Dessutom kan deras elektriska och magnetotransportegenskaper modifieras av ytfunktionella grupper, vilket gör det möjligt att finjustera deras elektroniska struktur för specifika tillämpningar.

Trots de lovande egenskaperna hos både BP och MXenes, krävs ytterligare forskning och experiment för att förstå de komplexa mekanismerna bakom deras funktionalitet, särskilt när det gäller carrier mobilitet och bandgapjusteringar under olika förhållanden, såsom temperatur, tryck och ytkontakter.

I sammanhanget av heterostrukturer, som ofta används för att kombinera fördelarna hos olika tvådimensionella material, ligger en annan nyckel till framtidens avancerade enheter. Genom att kombinera BP och MXenes med andra material kan man skapa nya heterostrukturer som potentiellt kan utnyttja de unika fördelarna med varje material för att optimera enhetsprestanda i olika applikationer.

Hur fungerar MOS-enheter och deras struktur?

MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) enheter är grundläggande komponenter inom elektroniska enheter och halvledarteknologi. Dessa enheter bygger på en specifik struktur där ett lager av metall, isolator (vanligtvis kiseloxid), och en halvledare (oftast kisel) är inbäddade i en sammanhängande struktur. För att förstå MOS-enheters funktion och användningsområden är det avgörande att analysera deras arbetssätt och de egenskaper som kännetecknar dessa system.

MOS-strukturen i sig är en endimensionell uppbyggnad, där variationer i materiallager sker i en enda riktning – ofta längs x-axeln. En ideal MOS-enhet skulle vara sådan att skillnaden mellan ledningsbandet (EC) och Fermi-nivån (EF) skulle vara lika med metalls arbetsfunktion (ΦM), vilket gör det enklare att förstå enhetens statiska beteende. Detta gör det möjligt att definiera en noll-spännings "plattband"-diagram, vilket visar enhetens struktur i jämvikt utan extern elektrisk påverkan.

När vi går vidare till en mer detaljerad beskrivning av MOS-enheter och deras funktioner, är det viktigt att förstå hur laddningsfördelningen fungerar. I MOS-enheter kan vi använda olika diagram för att visualisera energi- och laddningsdistribution. Ett exempel är energi-banddiagrammet, där den relativa energin hos materialet, beroende på process och dimensioner, visas. I MOS-enhetens tvärsnittsbild representeras x-axeln av avståndet, medan y-axeln visar energinivåer.

En annan viktig aspekt är block-laddningsdiagrammet, där laddningsdensiteten inuti MOS-strukturen visas. Här kan vi se att positiva laddningar, representerade av hål, samlas ovanför x-axeln, medan negativa laddningar, representerade av elektroner, finns under x-axeln. Detta skapar en särskild elektrisk fältstruktur mellan metall- och oxidskiktet.

De mest använda MOS-materialen är n-typ halvledare, såsom In2O3, ZnO, och SnO2, som är populära på grund av deras elektrontransporte egenskaper. För att skapa p-typ material behövs en betydligt lägre effektiv hålmassa i materialet. Detta kräver en mer utspridd valensbandstruktur, vilket kan uppnås genom att designa material med specifika metallkatjoner som kan interagera med syreatomerna i materialet.

För att uppnå dessa specifika egenskaper i MOS-enheter kan olika syntesmetoder användas. Det finns två huvudsakliga tillvägagångssätt: top-down och bottom-up. Top-down-metoden innebär ofta ångfasdeposition, där materialet avdunstar och deponeras på ett substrat, vilket möjliggör exakt kontroll över struktur och tjocklek på de resulterande filmerna. Bottom-up-metoden å andra sidan bygger på lösningsbaserade processer, som sol-gel-metoden, där materialet tillverkas genom kemiska reaktioner i lösning.

I tillverkningen av p-typ MOS-enheter, vilket har varit en teknisk utmaning, har metalloxider som nickeloxid (NiO) och kopparoxid (Cu2O) visat sig vara lovande alternativ. Dessa material har unika egenskaper som gör dem användbara som transparenta ledande oxider (TCO) och som potentiella kandidater för framtida halvledare.

Hur Fotokatalysatorer och Metal-Oxide-Semiconductor Enheter Påverkar Katalytiska Processer och Solenergiomvandling

När fotokatalysatorer belyses av ljuskällor absorberar de fotoner. Vid denna process stimuleras elektroner från valensbandet (VB) till ledningsbandet (CB), vilket genererar ett elektron-hålpar, förutsatt att fotonerna har högre energi än bandgapet hos fotokatalysatormaterialet. Dessa foto-genererade bärare – elektroner och hål – tenderar att rekombinera vid ytan eller inuti materialet. I en yta med ett laddningsutrymme kan emellertid elektron-hålparen separeras, vilket gör att de kan nå ytan och initiera kemiska reaktioner genom laddningstransfer från fotokatalysatorn till adsorbenter. Om inte dessa elektroner och hål hindras av defekter eller fällor, kommer de att transporteras till ytan och starta redoxreaktioner.

Titanoxid (TiO2) och zinkoxid (ZnO) är de mest använda MOS-fotokatalysatorerna och har fått stor uppmärksamhet för sina intressanta egenskaper som kemisk stabilitet, icke-toxicitet, lämplig band-edge-justering i förhållande till vattnets redoxpotential och deras mångfasiga strukturer. TiO2 är särskilt effektivt vid behandling av färgämnesavloppsvatten på grund av dess förmåga att producera ett kraftigt oxiderande elektron-hålpar. Det är också foto-stabilt och har stark kemisk stabilitet, men en av de största utmaningarna är att få TiO2 att fånga ljusenergi från det synliga ljuset, eftersom det endast kan exciteras av högenergiljus i UV-området, vilket begränsar dess potential.

För att förbättra prestandan hos TiO2 i fotokatalysiska processer har forskare arbetat med att justera dess bandgap och optimera dess förmåga att effektivt generera elektron-hålpar. En metod är att doppa TiO2 med metaller som platinum, palladium, silver och guld, samt övergångsmetaller som krom, koppar, mangan, zink, kobolt, järn och nickel. Till och med icke-metaller som kol, kväve, svavel och fosfor används ibland för att förbättra effektiviteten. En intressant upptäckt är att järn-dopad TiO2 har visat sig ha en degraderingsgrad för färgämnen på 90%.

Zinkoxid (ZnO), som också har ett stort bandgap på 3,2 eV, är en annan lovande fotokatalysator, särskilt när den modifieras för att kunna absorbera synligt ljus. ZnO är effektivt under UV-strålning, men har också visat sig vara överlägset TiO2 vid användning av synligt ljus, särskilt när ljusintensiteten är högre. Även här används dopning och fysiska förändringar för att förbättra prestandan. ZnO är också mer effektivt än andra material som SnO2, CdS och ZnS när det gäller nedbrytning av färgämnen under både UV- och synligt ljus.

MOS-materialens brett bandgap, såsom TiO2, är användbart i DSSC eftersom de absorberar UV-ljus, medan ljusabsorption i det synliga och nära infraröda området uppnås genom färgämnesfotosensibilisatorer. En av de stora fördelarna med MOS-material för solcellsteknik är deras stora yta, vilket gör att mer ljus kan absorberas och förbättrar cellens prestanda.

Det är viktigt att förstå att fotokatalytiska och solenergiomvandlingssystem bygger på liknande fundamentala processer: generering och effektiv användning av elektron-hålpar. Därför är inte bara valet av material kritiskt, utan även deras strukturella och elektriska egenskaper måste noggrant optimeras för att uppnå högsta möjliga effektivitet. Den fortsatta utvecklingen av sådana material och teknologier är avgörande för att ta itu med de globala utmaningarna inom energi och miljö.

Vilka utmaningar och möjligheter finns i tillväxten och prestandan av 2D halvledare för framtidens chipteknologi?

De senaste åren har utvecklingen av 2D halvledarmaterial (2D SCM) visat sig vara en lovande väg för att nå sub-1 nm chipteknologi, tack vare deras exceptionella elektriska egenskaper vid atomskala. Dessa material, som exempelvis MoS2, WS2 och WSe2, erbjuder en enstaka monolager tjocklek och enastående elektriska egenskaper på atomär nivå. Men trots dessa fördelar finns det flera stora utmaningar som måste övervinnas för att kunna implementera dem i industriell chipproduktion.

För det första krävs det nya metoder för att producera stora, högkvalitativa 2D-material på wafer-skala. Detta för att kunna säkerställa att materialet är tillräckligt enhetligt och fritt från defekter för att användas i logiska kretsar och transistorer. Traditionella tillväxtmetoder som CVD och MOCVD, som kräver höga temperaturer (>600°C), är ofta inte tillämpliga i chiptillverkning där andra lager och substrat som kisel är känsliga för högre temperaturer. För att övervinna detta har överföringstekniker utvecklats, där ett 2D-monolager eller dess heterostruktur överförs på substratet.

Vidare finns det problem med interfacedefekter och latticemismatch, det vill säga att materialens struktur inte alltid passar bra med substratens orientering. Detta kan orsaka defekter vid övergången mellan materiallagren, vilket påverkar enhetens stabilitet och funktion. För att hantera detta har material som grafen, som har en mer kompatibel gitterstruktur med många 2D SCM, föreslagits som ersättning för metallkontakter i transistorer. Grafen kan också hjälpa till att minska den elektriska motståndet mellan kontaktytorna.

Stabiliteten hos 2D SCM-material är också en betydande fråga. Dessa material är känsliga för fukt och luft, och kan snabbt brytas ned om de inte är korrekt inkapslade eller passiverade. Detta påverkar deras långsiktiga hållbarhet och funktion i elektroniska enheter, vilket gör det nödvändigt att utveckla effektiva skyddslager för att förlänga deras livslängd.

Från prestandasynpunkt är kontaktresistans en av de största begränsningarna för transistorer baserade på monolager av MoS2, WS2 och WSe2. Den stora Schottkybarriären vid metallelektron och 2D halvledargränsen skapar en hög kontaktresistans, vilket försvårar effektiv elektrontransport. För att lösa detta har alternativa kontaktmaterial som grafen och metallisk bismut undersökts. Grafen har visat sig vara ett lovande alternativ eftersom det har en justerbar arbetsfunktion och låga läckströmmar.

Vid miniatyrisering av transistorer och ökad densitet i integrerade kretsar uppstår också värmeavledningsproblem. Chipens storlek har minskat kraftigt, men möjligheten att effektivt avleda värme blir allt viktigare för att undvika överhettning. Forskning kring mikrofluidiska kanaler och användning av material med hög termisk ledningsförmåga, såsom h-BN, har visat sig vara lovande för att hantera dessa problem.