Germanio, un semiconduttore elementare, era il materiale di scelta nella prima storia dei dispositivi elettronici, prima che fosse in gran parte sostituito dal silicio. Ma a causa della sua elevata mobilità del portatore di carica, superiore di tre volte al silicio, il semiconduttore sta tornando di moda.

Il germanio (Ge) viene generalmente coltivato su costosi substrati monocristallini, aggiungendo un'altra sfida per renderlo sostenibile per la maggior parte delle applicazioni. Per affrontare questo aspetto, i ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute negli Stati Uniti dimostrano un metodo di epitassia che incorpora le forze di van der Waals per coltivare Ge su mica. Le applicazioni potrebbero includere circuiti integrati avanzati e celle solari ad alta efficienza.

"Questa è la prima volta che l'epitassia di van der Waals senza deformazione di un semiconduttore elementare è stata dimostrata su mica, " ha detto Aaron Littlejohn, Ricercatore RPI e coautore del documento che dimostra il lavoro, pubblicato di recente su Rivista di fisica applicata .

La crescita di strati di pellicola cristallina su substrati cristallini (chiamata epitassia) è onnipresente nella fabbricazione di semiconduttori. Se i materiali della pellicola e del substrato sono gli stessi, quindi gli strati perfettamente abbinati formano forti legami chimici per una mobilità ottimale dei portatori di carica.

Stratificazione efficace di diversi materiali, però, è una sfida perché i reticoli cristallini in genere non si allineano. Per aggirare questo, ricercatori hanno impiegato forze vdW, fenomeni che si basano sulla natura probabilistica degli elettroni, che non sono in una posizione fissa attorno a un nucleo. Piuttosto, possono essere ovunque, e la probabilità che siano distribuiti in modo non uniforme esiste quasi sempre. Quando questo accade, c'è un dipolo indotto:una leggera carica positiva da un lato e una leggera carica negativa dall'altro. Questo produce interazioni debolmente attraenti tra atomi neutri.

I ricercatori hanno scelto la mica come substrato su cui far crescere il film di Ge per via della sua superficie atomicamente liscia, che è privo di legami penzolanti (elettroni di valenza spaiati). Ciò ha assicurato che nessun legame chimico avrebbe avuto luogo durante il processo di epitassia vdW.

Anziché, l'interfaccia dei materiali è tenuta insieme da deboli forze vdW. Ciò consente la crescita di un film rilassato nonostante le strutture cristalline drammaticamente diverse dei due materiali che hanno una differenza del 23 percento nelle distanze atomiche. Oltre ad alleviare i vincoli del reticolo di corrispondenza, L'epitassia vdW consente al film di Ge di essere esfoliato meccanicamente dalla superficie della mica e di essere un film senza substrato.

"Il nostro film di Ge potrebbe essere usato come una nanomembrana a film sottile, che potrebbero essere integrati nei dispositivi elettronici più facilmente dei nanocristalli o dei nanofili, "Ha detto Littlejohn. "Potrebbe anche servire come substrato per la successiva deposizione di materiali aggiuntivi per transistor flessibili e celle solari, o anche optoelettronica indossabile."

Film di geranio di circa 80 nanometri di spessore sono stati coltivati ​​su substrati di mica muscovite su scala millimetrica dello spessore di 0,26 mm. Variando la temperatura del substrato durante la deposizione e la ricottura nell'intervallo 300-500 gradi Celsius, i ricercatori hanno scoperto che il reticolo cristallino si stabilizza a circa 425 gradi Celsius.

"La ricerca precedente implica che i semiconduttori elementari non possono essere cresciuti epitassialmente sulla mica usando forze vdW a qualsiasi temperatura elevata, ma ora abbiamo mostrato il contrario, " ha detto Littlejohn. "Con il successo del nostro film Ge cresciuto su mica a una temperatura pratica, prevediamo che altri materiali elementari o legati non stratificati possano essere coltivati ​​su mica tramite l'epitassia vdW".