Utilisation des distorsions de réseau pour améliorer la mobilité des porteurs dans les semi-conducteurs 2D

Utilisation des distorsions de réseau pour améliorer la mobilité des porteurs dans les semi-conducteurs 2D

La méthode des chercheurs : introduire des ondulations dans un matériau 2D, le bisulfure de molybdène, pour obtenir une amélioration de deux ordres de grandeur de la mobilité des porteurs à température ambiante, permettant aux électrons de se déplacer plus rapidement à travers le matériau. Crédit : Dr Wu Jing, A*STAR, Institut de recherche et d’ingénierie des matériaux.

Les semi-conducteurs bidimensionnels (2D) sont des matériaux semi-conducteurs d’épaisseurs à l’échelle atomique, qui possèdent des propriétés électroniques exceptionnelles. À l’avenir, ces matériaux pourraient avoir le potentiel de remplacer le silicium dans le développement de nombreux dispositifs électroniques et optoélectroniques.

Malgré leurs avantages, l’utilisation des semi-conducteurs 2D a jusqu’à présent été limitée, en partie à cause de leur faible mobilité des porteurs à température ambiante. Ceci est causé par une forte diffusion de phonons (c’est-à-dire de quasi-particules associées à des vibrations atomiques collectives) dans les réseaux des matériaux.

Des chercheurs de l’Agence pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR) à Singapour et à l’Université polytechnique de Hong Kong à Hong Kong, en Chine, ont récemment mis au point une stratégie de conception qui pourrait aider à surmonter cette limitation, en améliorant la mobilité des supports des matériaux 2D. L’approche qu’ils proposent, décrite dans un article publié dans Électronique naturelleimplique l’introduction de distorsions de réseau dans un matériau 2D, en utilisant des substrats renflés.

“Notre article a été inspiré par la mobilité élevée des porteurs observée dans les TMD 2D sur des substrats à haute rugosité de surface par Tao Liu et al. en 2019”, ont déclaré les Drs Ming Yang et Jing Wu. Deux des chercheurs qui ont mené l’étude ont déclaré à TechXplore. “Cependant, l’amélioration de la mobilité observée a été simplement attribuée aux effets de contrainte et le mécanisme fondamental reste incertain. À cette fin, nous avons creusé plus profondément pour démêler la physique sous-jacente responsable d’une amélioration aussi significative de la mobilité et démontrer l’ingénierie des réseaux comme une stratégie efficace pour créer des appareils électroniques performants à température ambiante.”

La plupart des stratégies conventionnelles pour améliorer la mobilité des porteurs des semi-conducteurs 2D reposent sur l’obtention de structures de réseau idéales. La stratégie proposée par Yang, Wu et leurs collègues, en revanche, implique simplement l’introduction de substrats bombés, qui créent des ondulations dans un semi-conducteur 2D et suppriment la diffusion des phonons.

“Nous avons simplement placé des matériaux 2D sur des substrats aux morphologies bombées, créant des ondulations dans le matériau qui entraînent une distorsion du réseau”, ont expliqué Yang et Wu. “En règle générale, les distorsions de réseau sont censées affecter négativement la mobilité des porteurs. Cependant, nous montrons que de telles distorsions de réseau créent une polarisation électrique plus importante, qui peut non seulement renormaliser la fréquence des phonons pour supprimer efficacement la diffusion entre les électrons et les phonons, mais également améliorer l’intrinsèque. constante diélectrique pour filtrer davantage la diffusion des phonons polaires.”

Comparée à d’autres approches existantes pour augmenter la mobilité des porteurs dans les semi-conducteurs 2D, la stratégie proposée par ces chercheurs est à la fois simple et rentable. Dans le cadre de leur étude, l’équipe l’a testé sur du bisulfure de molybdène 2D (MoS2) et a constaté qu’il en résultait une mobilité des porteurs à température ambiante d’environ 900 cm2V−1s−1qui dépasse la mobilité limitée aux phonons prédite du MoS plat2 (entre 200 et 410 cm2V−1s−1).

“L’amélioration de la mobilité observée et le mécanisme sous-jacent d’une telle mobilité élevée des porteurs dans le MoS ondulé2qui dépasse la mobilité limitée aux phonons prédite dans le flat-MoS2est particulièrement remarquable », ont déclaré Yang et Wu. « Une telle mobilité élevée des porteuses peut ouvrir la voie à l’électronique de faible puissance et constitue un paramètre important pour la plupart des applications allant des transistors à effet de champ aux photodétecteurs, etc.

L’étude menée par cette équipe de chercheurs met en évidence l’énorme potentiel des stratégies d’ingénierie des réseaux pour améliorer les performances des dispositifs électroniques et thermoélectriques à température ambiante. À l’avenir, leur méthode pourrait être utilisée pour créer des dispositifs plus efficaces basés sur des semi-conducteurs 2D. De plus, cela pourrait potentiellement inspirer le développement d’autres stratégies de conception basées sur l’ingénierie des réseaux.

“Dans nos prochaines études, nous prévoyons de créer systématiquement des substrats ondulés/gonflés pour minimiser la variabilité, ainsi que d’étudier les corrélations entre les renflements”, ont ajouté Yang et Wu.


Une stratégie pour moduler à distance le dopage des transistors 2D


Plus d’information:
Hong Kuan Ng et al, Amélioration de la mobilité des porteurs dans les semi-conducteurs bidimensionnels avec des matériaux ondulés, Électronique naturelle (2022). DOI : 10.1038 / s41928-022-00777-z

© 2022 Réseau Science X

Citation: Utilisation des distorsions de réseau pour améliorer la mobilité des porteurs dans les semi-conducteurs 2D (2022, 4 juillet) récupéré le 4 juillet 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-07-lattice-distortions-carrier-mobility-2d.html

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