I cristalli MoTe2 metallici (destra) e semiconduttori (sinistra) sono ottenuti fianco a fianco sullo stesso piano. I cristalli rettangolari rappresentano il metallo MoTe2, mentre i cristalli esagonali sono la caratteristica del semiconduttore MoTe2. Credito: Nanotecnologia della natura
La vita moderna sarebbe quasi impensabile senza i transistor. Sono gli onnipresenti elementi costitutivi di tutti i dispositivi elettronici, e ogni chip del computer ne contiene miliardi. Però, man mano che i chip diventano sempre più piccoli, gli attuali transistor elettronici di campo 3D (FET) stanno raggiungendo il loro limite di efficienza. Un team di ricerca dell'Institute for Basic Science (IBS) ha sviluppato il primo circuito elettronico 2-D (FET) realizzato con un unico materiale. Pubblicato in Nanotecnologia della natura , questo studio mostra un nuovo metodo per realizzare polimorfi metallici e semiconduttori dallo stesso materiale al fine di produrre FET 2-D.
In parole povere, I FET possono essere pensati come interruttori ad alta velocità, composto da due elettrodi metallici e un canale semiconduttore in mezzo. Gli elettroni (o lacune) si spostano dall'elettrodo di sorgente all'elettrodo di drenaggio, che scorre attraverso il canale. Mentre i FET 3D sono stati ridimensionati con successo a dimensioni su scala nanometrica, i loro limiti fisici stanno cominciando ad emergere. Le brevi lunghezze dei canali del semiconduttore portano a una diminuzione delle prestazioni:alcuni elettroni sono in grado di fluire tra gli elettrodi anche quando non dovrebbero, causando una riduzione del calore e dell'efficienza. Per superare questo degrado delle prestazioni, i canali dei transistor devono essere realizzati con materiali sottili su scala nanometrica. Però, anche i materiali 3D sottili non sono abbastanza buoni, come elettroni spaiati, parte dei cosiddetti "legami penzolanti" in superficie interferiscono con il flusso di elettroni, portando alla dispersione.
L'utilizzo di FET 2-D piuttosto che FET 3-D può superare questi problemi e offre nuovi, proprietà attraenti. "I FET realizzati con semiconduttori 2-D sono privi di effetti a canale corto perché tutti gli elettroni sono confinati in canali naturalmente atomicamente sottili, privo di legami penzolanti in superficie, " spiega Ji Ho Sung, primo autore dello studio. Inoltre, una forma a uno e pochi strati di materiali 2-D stratificati ha un'ampia gamma di proprietà elettriche e ottiche sintonizzabili, spessore su scala atomica, flessibilità meccanica e grandi gap di banda (1~2 eV).
Il FET 3-D standard ha due elettrodi (source e drain, S e D) in silicio drogato e un canale semiconduttore in mezzo. Quando il transistor è acceso, gli elettroni si spostano dalla sorgente al pozzo passando attraverso il canale. Il FET 2-D presentato in questo studio utilizza MoTe2 sia per il metallo (rosso) che per i semiconduttori (giallo), riducendo gli effetti fuori corrente e i legami penzolanti che stanno diventando un problema con i transistor 3-D più piccoli. Credito:IBS
Il problema principale per i transistor FET 2-D è l'esistenza di una grande resistenza di contatto all'interfaccia tra il semiconduttore 2-D e qualsiasi metallo sfuso. Per affrontare questo, il team ha ideato una nuova tecnica per produrre transistor metallici 2-D con semiconduzione in tellururo di molibdeno (MoTe 2 ). È un materiale polimorfo, il che significa che può essere utilizzato sia come metallo che come semiconduttore. Resistenza di contatto all'interfaccia tra il semiconduttore e il MoTe metallic metallico 2 risulta essere molto basso. L'altezza della barriera è stata abbassata di un fattore 7, da 150 meV a 22 meV.
Gli scienziati dell'IBS hanno utilizzato la tecnica di deposizione chimica da vapore (CVD) per costruire MoTe . metallico o semiconduttore di alta qualità 2 cristalli. Il polimorfismo è controllato dalla temperatura all'interno di un forno a tubi di quarzo a pareti calde riempito con vapore di NaCl a 710° C per ottenere metallo, e 670°C per un semiconduttore.
Gli scienziati hanno anche prodotto strutture su larga scala utilizzando strisce di diseleniuro di tungsteno (WSe 2 ) alternato con ditelluride di tungsteno (WTe 2 ). Per prima cosa hanno creato un sottile strato di WSe . semiconduttore 2 con deposizione chimica da vapore, poi ha raschiato alcune strisce e ha fatto crescere il WTe2 metallico al suo posto.
Metodo passo passo, che inizia con un film di semiconduttori WSe2, seguita da attacco selettivo e crescita del metallo WTe2. Credito: Nanotecnologia della natura
Si prevede che in futuro, sarebbe possibile realizzare una resistenza di contatto ancora minore, raggiungere il limite quantistico teorico, che è considerato come un problema importante nello studio dei materiali 2-D, compresi grafene e altri materiali dicalcogenuri di metalli di transizione.
