È stato scoperto che la creazione di increspature nel materiale 2D, il bisolfuro di molibdeno, aumenta la mobilità del vettore di due ordini a temperatura ambiente, consentendo agli elettroni di muoversi più velocemente attraverso il materiale. Credito:Istituto di ricerca e ingegneria dei materiali di A*STAR
I semiconduttori bidimensionali (2D) hanno una proprietà unica che consente di ridurre il loro spessore a uno o pochi atomi e questa proprietà potrebbe potenzialmente ridurre al minimo gli effetti del canale corto che rimangono un problema nei transistor avanzati a base di silicio, ad esempio, accendendo un transistor prematuramente.
Nonostante il potenziale che possiedono i semiconduttori 2D nel sostituire in futuro i materiali semiconduttori convenzionali come il silicio, rimane una sfida chiave:la loro bassa mobilità dei portatori a temperatura ambiente, causata dalla forte dispersione tra elettroni e fononi.
Le condizioni stradali e del traffico determinano la quantità di tempo e di energia che una persona spende viaggiando da un luogo all'altro. In modo simile, la mobilità del vettore misura la velocità con cui un vettore, come un elettrone o una lacuna, può muoversi attraverso un materiale in presenza di un campo elettrico. Questa caratteristica determina anche se un materiale semiconduttore è adatto per dispositivi elettronici.
Un'elevata mobilità del vettore può ridurre efficacemente la dissipazione di potenza nei circuiti integrati e ridurre il consumo energetico complessivo, prolungando così la vita di dispositivi o sistemi elettrici, oltre a ridurre i costi di gestione di questi dispositivi o sistemi.
I ricercatori dell'Istituto di ricerca e ingegneria dei materiali (IMRE) dell'Agenzia per la scienza, la tecnologia e la ricerca (A*STAR), l'Università di Fudan, l'Università nazionale di Singapore e l'Università politecnica di Hong Kong hanno recentemente scoperto che il posizionamento di materiali 2D su substrati con morfologie sporgenti può migliorare la mobilità del vettore a temperatura ambiente di due ordini. Questi rigonfiamenti creano increspature nel materiale, distorcendo così la sua struttura reticolare, spostando uno o più atomi dalla loro posizione originale in una struttura ideale.
Questo approccio contrasta le strategie convenzionali che si basano su strutture reticolari perfette per migliorare la mobilità del vettore, poiché si ritiene che qualsiasi forma di impurità o distorsione del reticolo influisca negativamente sulla mobilità.
In uno studio pubblicato su Nature Electronics nel giugno 2022, i ricercatori hanno osservato che il bisolfuro di molibdeno 2D increspato (MoS2 ) con distorsioni reticolari creano una polarizzazione elettrica più ampia che può rinormalizzare la frequenza dei fononi. Questa frequenza fononica rinormalizzata riduce efficacemente la forza dello scattering tra elettroni e fononi, aumentando così la mobilità dei portatori in MoS2 . Ciò significa che ora gli elettroni possono muoversi più velocemente attraverso il materiale.
I risultati dello studio mostrano che la mobilità del vettore a temperatura ambiente è migliorata di due ordini in MoS increspato2 , raggiungendo circa 900 cm 2 V -1 s -1 . Il risultato osservato supera la mobilità portante limitata ai fononi prevista per il MoS piatto 2 di 200–410 cm 2 V -1 s -1 .
Attraverso lo studio, la creazione di rigonfiamenti nella struttura reticolare di MoS2 si è scoperto che supera il limite di mobilità intrinseca del vettore del materiale. Questo apre la strada a MoS2 e altri materiali 2D da utilizzare nella creazione di transistor ad effetto di campo e dispositivi termoelettrici con prestazioni competitive a temperatura ambiente.
"Il nostro approccio è semplice ed economico e dimostra che l'ingegneria del reticolo è una strategia efficace per creare dispositivi elettronici a temperatura ambiente e dispositivi termoelettrici ad alte prestazioni per l'elettronica del futuro", ha affermato il dottor Wu Jing, scienziato dell'IMRE di A*STAR.
"Riveliamo ulteriormente il meccanismo alla base che la migliore mobilità del vettore è dovuta alla soppressa diffusione dell'elettrone-fonone e all'aumento della costante dielettrica intrinseca indotta dalle strutture increspate nel semiconduttore 2D. Entrambi svolgono effetti sinergici per aumentare la mobilità intrinseca del vettore", ha affermato il dottor Yang Ming, assistente professore presso il Dipartimento di Fisica Applicata, The Hong Kong Polytechnic University. + Esplora ulteriormente
