Des chercheurs démontrent l’ingénierie de la bande interdite des bicouches 2D C₃N

Des chercheurs démontrent l'ingénierie de la bande interdite des bicouches 2D C3N

Configuration d’empilement et bande interdite de C3N bicouche. a, Structure et densités de charges partielles du CBM et du VBM de C3Nbicouche avec empilement AA’ et AB’. b, énergies de liaison (carrés noirs) et bandes interdites (cercles rouges) de C3N bicouches en fonction de l’angle de torsion. c, courbes IDS-VG des FET fabriqués avec une seule couche C3N (courbe noire), un C3N bicouche avec un empilement AB’ (courbe rouge) et un C3N bicouche avec un empilement AA’ (courbe bleue). (T=4K) d, Image à résolution atomique d’une zone d’empilement AA’ avec treillis en nid d’abeille. e, un spectre dI/dV représentatif montrant la bande interdite électronique de C3N bicouche avec empilement AA’. f, image à résolution atomique d’une zone d’empilement AB’ avec un réseau hexagonal. g, un spectre dI/dV représentatif montrant la bande interdite électronique de C3N bicouche avec empilement AB’. Crédit : Wei et al.

Les transistors à base de silicium approchent rapidement de leurs limites, à la fois en termes de vitesse et de performances. Les ingénieurs et les scientifiques des matériaux ont donc essayé d’identifier des matériaux alternatifs qui pourraient permettre le développement de dispositifs plus rapides et plus performants.

Les matériaux à base de carbone sont parmi les candidats les plus favorables pour le développement de la prochaine génération d’électronique, en raison de leurs nombreuses propriétés avantageuses, notamment une résistance mécanique élevée et une bonne conductivité électrique et thermique. L’un des plus prometteurs parmi ces matériaux est le graphène, qui présente également une flexibilité et une transparence élevées.

Malgré ses avantages, le graphène n’a pas de bande interdite, ce qui est une exigence essentielle pour les matériaux de canal à l’intérieur des transistors. Ces dernières années, certains ingénieurs ont ainsi mené des études évaluant un matériau alternatif bidimensionnel (2D) qui ressemble au graphène, connu sous le nom de C3NC3N consiste en une distribution uniforme d’atomes de carbone et d’azote, disposés dans une structure semblable au graphène.

Des chercheurs de l’Université du Queensland en Australie, de l’East China Normal University, de l’Institut des microsystèmes et des technologies de l’information de Shanghai et d’autres instituts en Chine ont récemment démontré que les bandes interdites des bicouches de 2D C3N peut être conçu en changeant leur ordre d’empilement ou en leur appliquant un champ électrique. Leur article, publié en Nature Électronique, pourrait ouvrir la voie au développement d’un C plus performant3Appareils basés sur N.

« C3N a des propriétés attrayantes similaires au graphène, mais en plus, a une bande interdite de taille moyenne », ont déclaré Zhenhui Kang, Debra J. Searles et Qinghong Yuan, trois des chercheurs qui ont mené l’étude. Tech Xplore par email. « Nous avons donc pensé que nous pourrions être en mesure de régler les propriétés du C3N monocouche en formant différentes bicouches et en modifiant son environnement en appliquant un champ électrique. »

Des chercheurs démontrent l'ingénierie de la bande interdite des bicouches 2D C3N

Ingénierie de bande interdite de C3N bicouche induite par des champs électriques externes. a, Illustration de la séparation de densité de charge du CBM et du VBM de C3Bicouche N avec empilement AB’ sous champs électriques externes. b, résistance électrique d’un C3N bicouche avec empilement AB’ en fonction de la tension de grille supérieure (Vt) à différentes tensions de grille inférieure fixes (Vb). c, Variations expérimentales mesurées (points rouges) et calculées par DFT (carrés noirs) de la bande interdite énergétique en fonction du champ de déplacement électrique moyen (DAV). d, spectres d’absorption induits par la porte de C3N bicouches aux CNP (δD=0) avec différents champs de déplacement appliqués DAV. Crédit : Wei et al.

Kang, Searles, Yuan et leurs collègues ont effectué une série de calculs théoriques et d’expériences visant à étudier le potentiel de C3N comme matériau pour développer la prochaine génération d’appareils électroniques. Ils ont trouvé que C3Les bicouches N peuvent avoir une large plage de réglage de bande interdite, tout en présentant également des rapports marche/arrêt contrôlables, des mobilités de porteurs élevées et des capacités de détection photoélectronique.

Dans leur article, les chercheurs ont proposé deux stratégies différentes pour l’ingénierie de la bande interdite de C3N bicouches. La première stratégie consiste à régler la configuration d’empilement ou l’angle de torsion entre le haut et le bas C3N couches.

« La fabrication de matériaux 2D en couches avec les angles de torsion requis a été réalisée à l’aide de la méthode de transfert ou des techniques de manipulation de la pointe du microscope à force atomique (AFM) », ont déclaré Kang, Searles et Yuan. « C3N bicouches avec des angles de torsion différents pourraient avoir des bandes interdites complètement différentes, variant de 0,3 à 1,21 eV. À notre connaissance, il s’agit du matériau bicouche qui présente la plus grande plage de réglage de la bande interdite. »

La deuxième stratégie pour l’ingénierie de la bande interdite de C3Les N bicouches proposées par les chercheurs impliquent l’application d’un champ électrique externe. Cette stratégie a déjà été largement utilisée pour moduler la bande interdite de nombreux autres matériaux bicouches 2D.

« Nous avons constaté que les bandes interdites de C3Les bicouches N peuvent être réglées de 0,89 eV à près de 0 eV uniquement sous une tension appliquée moyenne de 1,91 V/nm », ont déclaré Kang, Searles et Yuan. « Dans l’ensemble, nos résultats suggèrent que le C3La bicouche N pourrait modifier considérablement la bande interdite, tout en conservant d’autres propriétés attrayantes. La partie de notre équipe qui s’est concentrée sur le côté expérimental de notre recherche a pu synthétiser les matériaux et les tester expérimentalement. »

Des chercheurs démontrent l'ingénierie de la bande interdite des bicouches 2D C3N

Les nouvelles structures permettent la production de divers composants électroniques qui peuvent être combinés pour produire de l’électronique avec des exigences et des capacités. Crédit : Wei et al.

L’objectif principal de l’étude récente de Kang, Searles, Yuan et de leurs collègues était de développer un nouveau matériau à base de carbone 2D qui pourrait aider à étendre la loi de Moore dans une ère post-silicium. En découvrant les propriétés très avantageuses de C3N bicouches, les chercheurs ont démontré son potentiel pour le développement de transistors à effet de champ (FET) à base de carbone plus performants, ainsi que d’autres dispositifs électroniques et optoélectroniques.

« Les mobilités élevées des porteurs et la bande interdite largement réglable de C3Les bicouches N les rendent très prometteuses pour des applications dans de nombreux domaines de recherche », ont déclaré Kang, Searles et Yuan. « Par exemple, selon l’ordre d’empilement, le C3La bicouche N peut être semi-conductrice ou métallique, ce qui signifie qu’elle peut être utilisée à la fois pour les matériaux conducteurs et pour les canaux dans la fabrication de transistors. Cela peut être utile pour résoudre les problèmes de résistance de contact de différents matériaux dans la fabrication de transistors. »

La récente étude de cette équipe de chercheurs pourrait éclairer le développement de dispositifs électroniques à base de carbone plus performants. De plus, le C3N qu’ils ont fabriqué pourraient être utilisés pour créer des technologies optoélectroniques et de communication laser plus avancées. En fait, l’équipe a montré que les FET fabriqués en utilisant AB’ C3N étaient hautement photosensibles lors d’un éclairage lumineux dans le proche infrarouge (longueur d’onde de 1550 nm).

« L’excellente photo-réactivité d’AB’C3N bicouches à la lumière proche infrarouge les rend adaptées à la photodétection infrarouge, qui présente les avantages d’une fenêtre atmosphérique et d’une détection de 24 heures par rapport aux autres méthodes de photodétection. En plus d’une mobilité élevée des porteurs, d’une bonne photo-réactivité, de propriétés chimiques stables, d’une faible résistivité et d’une résistance mécanique élevée, notre C3Le matériau N est compatible avec les dispositifs au silicium bien développés. »

Le C 2D3Les bicouches N examinées Kang, Searles et Yuan présentent de nombreuses caractéristiques avantageuses et pourraient bientôt être utilisées pour créer une variété de dispositifs. Contrairement à d’autres matériaux à base de carbone, ces bicouches sont très flexibles et transparentes, elles pourraient donc également être utilisées pour créer des électrodes transparentes et des dispositifs portables. En fait, la bande interdite de C3N peut également être réglé en utilisant une bicouche, plutôt que des multicouches. Il en résulte un matériau plus fin avec une plus grande transparence et flexibilité.

« Considérant que le développement des photodétecteurs infrarouges actuels est freiné par le besoin de matériaux performants, C3Les matériaux N offrent une option prometteuse pour les futurs photodétecteurs infrarouges et les communications laser », ont déclaré Kang, Searles et Yuan. « Nos futures recherches dans ce domaine se concentreront sur l’application de C3Matériaux N en photodétection infrarouge, capteurs et matériaux ferroélectriques. Nous essaierons également de fabriquer un C3Transistor N à hautes performances. »


Les chercheurs identifient une stratégie pour parvenir à une modulation de l’écart de transport important dans le graphène


Plus d’information:
Wenya Wei et al, Ingénierie Bandgap de C bidimensionnel3N bicouches, Nature Électronique (2021). DOI : 10.1038 / s41928-021-00602-z

© 2021 Réseau Science X

Citation: Des chercheurs démontrent l’ingénierie de la bande interdite des bicouches 2D C₃N (2021, 10 août) récupéré le 10 août 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-08-bandgap-2d-cn-bilayers.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.