Le leghe semiconduttrici 2-D potrebbero essere la chiave per superare i limiti tecnici dell'elettronica moderna. Sebbene le leghe Si-Ge 2-D avrebbero proprietà interessanti per questo scopo, erano solo previste in teoria. Ora, scienziati del Japan Advanced Institute of Science and Technology hanno realizzato la prima dimostrazione sperimentale. Hanno anche dimostrato che il rapporto Si a Ge può essere regolato per mettere a punto le proprietà elettroniche delle leghe, aprendo la strada a nuove applicazioni.

Le leghe, materiali composti da una combinazione di diversi elementi o composti, hanno svolto un ruolo cruciale nello sviluppo tecnologico degli esseri umani sin dall'età del bronzo. Oggi, legare materiali con strutture simili ed elementi compatibili è essenziale perché ci consente di mettere a punto le proprietà della lega finale per soddisfare le nostre esigenze.

La versatilità fornita dalla lega si estende naturalmente al campo dell'elettronica. Le leghe di semiconduttori sono un'area di ricerca attiva perché saranno necessari nuovi materiali per ridisegnare gli elementi costitutivi dei dispositivi elettronici (transistor); a questo proposito, le leghe di semiconduttori bidimensionali (2-D) sono viste come un'opzione promettente per superare i limiti tecnici dell'elettronica moderna. Sfortunatamente, grafene, il bambino poster a base di carbonio per materiali 2-D, non si presta facilmente alla legatura, che lo lascia fuori dall'equazione.

Però, c'è un'alternativa interessante:il silicio. Questo materiale è composto interamente da atomi di silicio (Si) disposti in una struttura a nido d'ape 2-D che ricorda il grafene. Se le proprietà del silicene potessero essere modificate secondo necessità, il campo della nanoelettronica a base di silicio 2-D decollerebbe. Sebbene si prevedesse teoricamente che legare il silicene con il germanio (Ge) producesse strutture 2-D stabili con proprietà regolabili in base al rapporto Si/Ge, questo non è mai stato realizzato in pratica.

Ora, un team di scienziati del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) ha dimostrato sperimentalmente un nuovo modo per far crescere uno strato di silicene e sostituire stabilmente una parte dei suoi atomi con Ge, permettendo loro di mettere a punto alcune delle sue proprietà elettriche.

Il loro studio è pubblicato in Materiali per la revisione fisica .

Primo, gli scienziati hanno coltivato un singolo strato di silicene 2-D su un film sottile di diboruro di zirconio (ZrB2) cresciuto su un substrato di silicio attraverso la segregazione superficiale degli atomi di Si che cristallizzano in una struttura a nido d'ape 2-D. Però, questo strato di silicene non era perfettamente piatto; un sesto di tutti gli atomi di Si era un po' più alto del resto, formando protuberanze periodiche o "sporgenze".

Quindi, Gli atomi di Ge sono stati depositati sullo strato di silicene in condizioni di vuoto ultraelevato. interessante, sia i calcoli teorici che le osservazioni sperimentali attraverso la microscopia e la spettroscopia hanno rivelato che gli atomi di Ge potevano solo sostituire gli atomi di Si sporgenti. Regolando il numero di atomi di Ge depositati, potrebbe essere prodotta una lega Si-Ge con un rapporto Si-Ge desiderato. La composizione del materiale finale sarebbe quindi Si6−xGex, dove x può essere qualsiasi numero compreso tra 0 e 1.

Il team ha quindi studiato gli effetti di questo rapporto Si-Ge regolabile sulle proprietà elettroniche della lega Si-Ge. Hanno scoperto che la sua struttura a bande elettroniche, una delle caratteristiche più importanti di un semiconduttore, potrebbe essere regolato all'interno di un intervallo specifico manipolando la composizione del materiale. Entusiasta dei risultati, Senior Lecturer Antoine Fleurence di JAIST, autore principale dello studio, osservazioni, "Il silicio e il germanio sono elementi comunemente usati nell'industria dei semiconduttori, e abbiamo dimostrato che è possibile progettare la struttura a bande delle leghe Si-Ge 2-D in un modo che ricorda quello delle leghe Si-Ge sfuse (3-D) utilizzate in varie applicazioni."

Le implicazioni di questo studio sono importanti per molteplici ragioni. Primo, la massima sottigliezza e flessibilità dei materiali 2D è interessante per molte applicazioni perché significa che potrebbero essere integrati più facilmente nei dispositivi per la vita quotidiana. Secondo, i risultati potrebbero aprire la strada a una svolta nell'elettronica. Coautore dello studio, Professor Yukiko Yamada-Takamura di JAIST, spiega, "Materiali semiconduttori 2-D in silicio e germanio con uno spessore atomicamente preciso potrebbe ridurre ulteriormente le dimensioni dei mattoni elementari dei dispositivi elettronici. Ciò rappresenterebbe una pietra miliare tecnologica per le nanotecnologie a base di silicio".

Globale, questo studio mette in mostra solo alcuni dei vantaggi della lega come modo per produrre materiali con proprietà più desiderabili rispetto a quelli realizzati da un singolo elemento o composto. Speriamo che le leghe 2-D semiconduttrici vengano ulteriormente perfezionate in modo che possano essere protagoniste dei dispositivi elettronici di prossima generazione.