(In alto) Schema del processo di generazione dell'azoto atomico con un plasma RF. (In basso) Vista in sezione trasversale di FET WS2 monostrato con gate inferiore e pochi strati con contatti Ti/Au. Credito:American Chemical Society.
Una tecnica di fabbricazione semplice e non distruttiva potrebbe aiutare la produzione di pellicole bidimensionali (2D) più efficienti dal punto di vista energetico necessarie per trasformare l'industria elettronica.
Atomicamente sottile, Dicalcogenuri di metalli di transizione 2-D (TMDC) come il disolfuro di tungsteno (WS 2 ) mostrano un fisico notevole, proprietà elettroniche e optoelettroniche, come flessibilità, trasparenza e caratteristiche semiconduttive.
Sebbene ci siano stati progressi significativi nella fabbricazione di TMDC 2-D, la natura ultrasottile di tali semiconduttori 2-D preclude l'uso di tecniche come l'impianto ionico, con successiva ricottura di attivazione, per introdurre e trattenere i droganti all'interno di TMDC mono o a pochi strati.
Ora, Dongzhi Chi e colleghi dell'Institute of Materials Research and Engineering e dell'Institute of High Performance Computing di A*STAR, in collaborazione con ricercatori della National University of Singapore, hanno sviluppato una tecnica innovativa che utilizza atomi di azoto (N) altamente reattivi per controllare i droganti all'interno di film di WS 2 su scala atomica, e promette un metodo affidabile per il doping di TMDC 2-D.
"[L'attuale] incapacità di drogare efficacemente i TMDC 2-D ostacola lo sviluppo di dispositivi efficienti dal punto di vista energetico come i transistor ad effetto di campo utilizzando le tecnologie di produzione attualmente impiegate nell'industria dei semiconduttori, "dice Chi.
TMDC come WS 2 sono in genere semiconduttori di tipo n e attualmente non esistono metodi affidabili per realizzare TMDC atomicamente sottili di tipo p. Ciò è particolarmente fastidioso in quanto significa che i dispositivi TMDC 2-D, per necessità, sono per lo più basati su CMOS-FET di tipo n:transistor ad effetto di campo (FET) fabbricati utilizzando tecnologie CMOS (metal-oxide-semiconductor) complementari. La mancanza di un modo efficace per realizzare CMOS-FET 2-D basati su TMDC di tipo p limita la creazione di elettronica di prossima generazione, dispositivi optoelettronici, e tecnologie per l'energia pulita.
Quindi i ricercatori hanno considerato l'azoto atomico diversamente dalle attuali tecniche di doping, come l'impianto di ioni o l'impianto di plasma, può produrre un efficace drogaggio di tipo p in CMOS-FET 2-D basati su TMDC senza causare danni strutturali evidenti.
Per produrre N atomico, hanno usato un plasma per generare N ionizzato e atomico in una cavità di ceramica e hanno applicato un campo elettrico per trattenere gli ioni di azoto, permettendo agli atomi di N di reagire con un campione di WS 2 riscaldato a 300 gradi C.
L'elevata attività chimica e la bassa energia cinetica dell'N hanno introdotto modifiche alla struttura a profondità mono o pochi strati nel WS 2 sostituendo gli atomi di zolfo e formando legami chimici W-N. Questo si è rivelato ideale per controllare i droganti su scala atomica.
"A differenza di altri metodi di drogaggio per i TMDC, come il chemisorbimento molecolare, fisisorbimento e doping al plasma di azoto:il nostro metodo introduce l'azoto nei siti sostitutivi dello zolfo sostituendo lo zolfo con l'azoto, senza causare danni agli strati TMDC, "dice Chi.
"Il nostro lavoro potrebbe aiutare ad accelerare lo sviluppo delle tecnologie elettroniche e optoelettroniche di prossima generazione, come circuiti logici a potenza ultrabassa e sensori intelligenti, basato su TMDC semiconduttori 2-D, "dice Chi.
