Двумерный полупроводник
Двумерный полупроводник (также известный как 2D-полупроводник ) — это тип естественного полупроводника с толщиной в атомном масштабе. Гейм и Новоселов и др. инициировали эту область в 2004 году, когда они сообщили о новом полупроводниковом материале графене , плоском монослое атомов углерода, расположенных в двумерной сотовой решетке . [1] Двумерный монослойный полупроводник важен, поскольку он демонстрирует более сильную пьезоэлектрическую связь, чем традиционно используемые объемные формы. Эта связь может позволить приложениям. [2] Одним из направлений исследований является разработка наноэлектронных компонентов с использованием графена в качестве электрического проводника , гексагонального нитрида бора в качестве электрического изолятора и дихалькогенида переходного металла в качестве полупроводника . [3] [4]
Материалы
[ редактировать ]Графен
[ редактировать ]Графен, состоящий из отдельных листов атомов углерода, обладает высокой подвижностью электронов и высокой теплопроводностью . Одной из проблем, связанных с графеном, является отсутствие у него запрещенной зоны , что создает проблему, в частности, для цифровой электроники, поскольку он не может отключать полевые транзисторы (FET). [3]
Шестиугольный нитрид бора
[ редактировать ]Монослойный гексагональный нитрид бора (h-BN) представляет собой изолятор с большой энергетической щелью (5,97 эВ). [5] Однако он также может функционировать как полупроводник с повышенной проводимостью благодаря зигзагообразным острым краям и вакансиям. h-BN часто используется в качестве подложки и барьера из-за его изолирующих свойств. h-BN также имеет большую теплопроводность.
Дихалькогениды переходных металлов
[ редактировать ]Монослои дихалькогенидов переходных металлов (TMD или TMDC) представляют собой класс двумерных материалов, которые имеют химическую формулу MX 2 , где M представляет собой переходные металлы из групп IV, V и VI, а X представляет собой халькоген, такой как сера , селен или теллур . [6] MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 и WSe 2 представляют собой TMDC. ТМДК имеют слоистую структуру с плоскостью атомов металла между двумя плоскостями атомов халькогена, как показано на рисунке 1. Каждый слой прочно связан в плоскости, но слабо в промежутках. Следовательно, TMDC можно легко расслаивать на атомарно тонкие слои различными методами. TMDC демонстрируют оптические и электрические свойства, зависящие от слоя. При расслоении на монослои запрещенная зона некоторых ТМДК меняется с непрямой на прямую, [7] которые приводят к широкому применению в наноэлектронике, [3] оптоэлектроника, [8] [9] и квантовые вычисления . [10]
3-6 халькогенидов
[ редактировать ]Другой класс 2D-полупроводников — халькогениды III-VI. Эти материалы имеют химическую формулу MX, где M — металл 13 группы ( Ga , In ), а X — атом халькогена ( S , Se , Te ). Типичными членами этой группы являются InSe и GaSe , оба из которых продемонстрировали высокую электронную подвижность и ширину запрещенной зоны, подходящие для широкого спектра электронных приложений. [11] [12]
Синтез
[ редактировать ]Двумерные полупроводниковые материалы часто синтезируют методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). Поскольку CVD может обеспечить высококачественный и хорошо контролируемый послойный рост двумерных полупроводниковых материалов большой площади, он также позволяет синтезировать двумерные гетеропереходы . [13] При создании устройств путем укладки различных 2D-материалов механическое расслоение с последующим переносом. часто используется [4] [6] Другие возможные методы синтеза включают электрохимическое осаждение , [14] [15] химическое расслаивание, гидротермальный синтез и термическое разложение . В 2008 году коллоидным методом были впервые синтезированы квазидвумерные пластинки селенида кадмия CdSe с толщиной в несколько атомных слоев и латеральными размерами до десятков нанометров. [16] Модификация процедуры позволила получить и другие наночастицы другого состава (например, CdTe, [17] HgSe, [18] сплавы CdSe x S 1−x , [19] ядро/оболочка [20] и ядро/коронка [21] гетероструктуры) и формы (в виде свитков, [22] наноленты, [23] и т. д).
Механическое поведение
[ редактировать ]Уникальные кристаллические структуры двумерных полупроводниковых материалов часто обеспечивают уникальные механические свойства, особенно в пределе монослоя, такие как высокая жесткость и прочность в двумерной атомной плоскости, но низкая жесткость при изгибе. [24] Тестирование этих материалов является более сложной задачей, чем их объемные аналоги, поскольку используются методы, использующие методы сканирующего зонда, такие как атомно-силовая микроскопия (АСМ). Эти экспериментальные методы обычно выполняются на двумерных материалах, подвешенных над отверстиями в подложке. Затем кончик АСМ вдавливается в чешуйку и измеряется реакция материала. Из этого механические свойства, такие как модуль Юнга, предел текучести и прочность на изгиб.
Графен
[ редактировать ]При модуле Юнга почти 1 ТПа, [25] Графен может похвастаться невероятной прочностью благодаря прочности связи углерод-углерод. Однако графен имеет вязкость разрушения около 4 МПа/м, что делает его хрупким и легко растрескивается. [26] Позже та же группа, которая обнаружила его вязкость разрушения, показала, что графен обладает невероятными способностями к переднему распределению, примерно в десять раз превосходящими способность стали. [27]
Атомно тонкий нитрид бора
[ редактировать ]Монослойный нитрид бора имеет прочность на разрушение и модуль Юнга 70,5 ГПа и 0,865 ТПа соответственно. Нитрид бора также сохраняет свой высокий модуль Юнга и прочность на излом с увеличением толщины. [28]
Дихалькогениды переходных металлов
[ редактировать ]2D-дихалькогениды переходных металлов часто используются в таких приложениях, как гибкая и растягивающаяся электроника, где понимание их механических свойств и оперативного воздействия механических изменений материалов имеет первостепенное значение для производительности устройств. Под действием деформации TMD изменяют свою электронную структуру запрещенной зоны как монослоя с прямой запрещенной зоной, так и нескольких слоев с непрямой запрещенной зоной, что указывает на приложенную деформацию как настраиваемый параметр. [29] Монослой MoS 2 имеет модуль Юнга 270 ГПа и максимальную деформацию до выхода текучести 10%. [30] Для сравнения, двухслойный MoS2 имеет модуль Юнга 200 ГПа, обусловленный межслоевым скольжением. [30] При дальнейшем увеличении количества слоев межслоевое скольжение затмевается изгибной жесткостью с модулем Юнга 330 ГПа. [31]
Предлагаемые приложения
[ редактировать ]Некоторые приложения включают в себя электронные устройства, [33] фотонные и энергосберегающие устройства, а также гибкие и прозрачные подложки. [3] Другие приложения включают в себя кубитовые устройства квантовых вычислений. [10] солнечные элементы, [34] и гибкая электроника. [6]
Квантовые вычисления
[ редактировать ]В теоретической работе предсказан контроль гибридизации краев зон на некоторых гетероструктурах Ван-дер-Ваальса с помощью электрических полей и предложено его использование в устройствах с квантовыми битами ZrSe 2 /SnSe 2 . на примере гетеробислоя [10] Дальнейшие экспериментальные работы подтвердили эти предсказания для случая гетеробислоя MoS 2 /WS 2 . [35]
Магнитный НЭМС
[ редактировать ]Двухмерные слоистые магнитные материалы являются привлекательными строительными блоками для наноэлектромеханических систем (НЭМС): хотя они обладают высокой жесткостью, прочностью и малой массой, как и другие двумерные материалы, они магнитоактивны. Среди большого класса вновь появившихся двумерных слоистых магнетиков особый интерес представляет малослойный CrI3, основное магнитное состояние которого состоит из антиферромагнитно связанных ферромагнитных (ФМ) монослоев с внеплоскостной легкой осью. Межслоевое обменное взаимодействие относительно слабое, магнитное поле порядка 0,5 Тл во внеплоскостном (𝒛) направлении может индуцировать спин-флип переход в бислое CrI3. Недавно были продемонстрированы замечательные явления и концепции устройств, основанные на обнаружении и управлении межслоевым магнитным состоянием, в том числе гигантское магнитосопротивление спин-фильтра, магнитное переключение электрическим полем или электростатическим легированием, а также спиновые транзисторы. Однако связь между магнитными и механическими свойствами атомно тонких материалов, основа двумерных магнитных NEMS, остается неуловимой, хотя NEMS, изготовленные из более толстых магнитных материалов или покрытые FM-металлами, изучались.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Новоселов, КС (2004). «Эффект электрического поля в атомно тонких углеродных пленках». Наука . 306 (5696): 666–669. arXiv : cond-mat/0410550 . Бибкод : 2004Sci...306..666N . дои : 10.1126/science.1102896 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 15499015 . S2CID 5729649 .
- ^ Сун, Сюфэн; Ху, Цзиньлянь; Цзэн, Хайбо (2013). «Двумерные полупроводники: последние достижения и перспективы» . Журнал химии материалов C. 1 (17): 2952. дои : 10.1039/C3TC00710C .
- ^ Перейти обратно: а б с д Радисавлевич, Б.; Раденович, А.; Бривио, Дж.; Джакометти, В.; Поцелуй, А. (2011). «Однослойные транзисторы MoS 2 » . Природные нанотехнологии . 6 (3): 147–150. Бибкод : 2011НатНа...6..147Р . дои : 10.1038/nano.2010.279 . ПМИД 21278752 .
- ^ Перейти обратно: а б Гейм, АК; Григорьева, ИВ (2013). «Гетероструктуры Ван-дер-Ваальса». Природа . 499 (7459): 419–425. arXiv : 1307.6718 . дои : 10.1038/nature12385 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 23887427 . S2CID 205234832 .
- ^ Дин, ЧР; Янг, А.Ф.; Мерич, И.; Ли, К.; Ван, Л.; Соргенфрай, С.; Ватанабэ, К.; Танигучи, Т.; Ким, П.; Шепард, КЛ; Хон, Дж. (2010). «Подложки из нитрида бора для высококачественной графеновой электроники». Природные нанотехнологии . 5 (10): 722–726. arXiv : 1005.4917 . Бибкод : 2010НатНа...5..722Д . дои : 10.1038/nnano.2010.172 . ISSN 1748-3387 . ПМИД 20729834 . S2CID 1493242 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ван, Цин Хуа; Калантар-Заде, Курош; Поцелуй, Андрас; Коулман, Джонатан Н.; Страно, Майкл С. (2012). «Электроника и оптоэлектроника двумерных дихалькогенидов переходных металлов» . Природные нанотехнологии . 7 (11): 699–712. Бибкод : 2012NatNa...7..699W . дои : 10.1038/nnano.2012.193 . ISSN 1748-3387 . ПМИД 23132225 . S2CID 6261931 .
- ^ Куц, А.; Зибуш, Н.; Хейне, Т. (2011). «Влияние квантового ограничения на электронную структуру сульфида переходного металла TS2». Физический обзор B . 83 (24): 245213. arXiv : 1104.3670 . Бибкод : 2011PhRvB..83x5213K . дои : 10.1103/PhysRevB.83.245213 . ISSN 1098-0121 . S2CID 119112827 .
- ^ Уилсон, Дж.А.; Йоффе, AD (1969). «Обсуждение дихалькогенидов переходных металлов и интерпретация наблюдаемых оптических, электрических и структурных свойств». Достижения физики . 18 (73): 193–335. Бибкод : 1969AdPhy..18..193W . дои : 10.1080/00018736900101307 . ISSN 0001-8732 .
- ^ Йоффе, AD (1973). «Слоистые соединения». Ежегодный обзор материаловедения . 3 (1): 147–170. Бибкод : 1973AnRMS...3..147Y . doi : 10.1146/annurev.ms.03.080173.001051 . ISSN 0084-6600 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Б. Лукатто; и др. (2019). «Зарядовый кубит в гетероструктурах Ван-дер-Ваальса» . Физический обзор B . 100 (12): 121406. arXiv : 1904.10785 . Бибкод : 2019PhRvB.100l1406L . дои : 10.1103/PhysRevB.100.121406 . S2CID 129945636 .
- ^ Арора, Химани; Юнг, Ёнхун; Венанци, Томас; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Хюбнер, Рене; Шнайдер, Харальд; Хельм, Манфред; Хоун, Джеймс С.; Эрбе, Артур (20 ноября 2019 г.). «Эффективная пассивация гексагональным нитридом бора малослойных InSe и GaSe для улучшения их электронных и оптических свойств» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 11 (46): 43480–43487. дои : 10.1021/acsami.9b13442 . hdl : 11573/1555190 . ISSN 1944-8244 . ПМИД 31651146 . S2CID 204884014 .
- ^ Арора, Химани; Эрбе, Артур (2021). «Последние достижения в области контактной, мобильности и герметизации InSe и GaSe» . Инфомат . 3 (6): 662–693. дои : 10.1002/inf2.12160 . ISSN 2567-3165 . S2CID 228902032 .
- ^ Дуань, Чен; Шоу, Жуй; Ли, Хунлай; Тан, Ин; Цзян, Цзяньхуэй; , Юй ; Хуан .2014.222 . ISSN 1748-3387 .
- ^ Нури, Ясир Дж.; Томас, Шибин; Рамадан, Сами; Смит, Даниэль Э.; Гринакр, Вики К.; Абделазим, Нема; Хан, Исон; Бинленд, Ричард; Гектор, Эндрю Л.; Кляйн, Норберт; Рид, Джиллиан; Бартлетт, Филип Н.; Грут Кейс, Швейцария (04 ноября 2020 г.). «Электроосаждение большой площади малослойного MoS 2 на графен для двумерных гетероструктур материалов» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 12 (44): 49786–49794. arXiv : 2005.08616 . дои : 10.1021/acsami.0c14777 . ISSN 1944-8244 . ПМИД 33079533 . S2CID 224828493 .
- ^ Нури, Ю.Дж.; Томас, С; Рамадан, С; Гринакр, ВК; Абделазим, Нью-Мексико; Хан, Ю; Чжан, Дж; Бинленд, Р.; Гектор, Алабама; Кляйн, Н; Рид, Дж; Бартлетт, Пенсильвания; де Гроот, Швейцария (01 января 2022 г.). «Электроосажденные монослои WS 2 на узорчатом графене» . 2D материалы . 9 (1): 015025. arXiv : 2109.00083 . Бибкод : 2022TDM.....9a5025N . дои : 10.1088/2053-1583/ac3dd6 . ISSN 2053-1583 . S2CID 244693600 .
- ^ Итуррия, Сандрин; Дюбертре, Бенуа (10 декабря 2008 г.). «Квази-2D коллоидные тромбоциты CdSe с толщиной, контролируемой на атомном уровне» . Журнал Американского химического общества . 130 (49): 16504–16505. дои : 10.1021/ja807724e . ISSN 0002-7863 . ПМИД 19554725 .
- ^ Педетти, Сильвия; Надаль, Брайс; Люлье, Эммануэль; Малер, Бенуа; Буэ, Сесиль; Абекассис, Бенджамин; Сюй, Сянчжэнь; Дюбертре, Бенуа (25 июня 2013 г.). «Оптимизированный синтез нанотромбоцитов CdTe и фотоответ пленок нанотромбоцитов CdTe» . Химия материалов . 25 (12): 2455–2462. дои : 10.1021/см4006844 . ISSN 0897-4756 . S2CID 101411815 .
- ^ Искьердо, Ева; Дюфур, Марион; Чу, Одри; Ливаш, Клеман; Мартинес, Бертилье; Амелот, Дилан; Патриарх Жиль; Леке, Николя; Люлье, Эммануэль; Итуррия, Сандрин (26 июня 2018 г.). «Связанные коллоидные квантовые ямы HgSe через настраиваемый барьер: стратегия разделения оптической и транспортной запрещенной зоны» . Химия материалов . 30 (12): 4065–4072. doi : 10.1021/acs.chemmater.8b01028 . ISSN 0897-4756 . S2CID 103490948 .
- ^ Фань, Фэнцзя; Канджанабус, Понгсакорн; Сараванапаванантам, Маюран; Борегар, Эрик; Ингрэм, Грейсон; Ясситепе, Эмре; Адачи, Майкл М.; Возный, Александр; Джонстон, Эндрю К.; Уолтерс, Грант; Ким, Ги Хван (8 июля 2015 г.). «Коллоидные нанопластинки CdSe1–xSx с узкой и непрерывно настраиваемой электролюминесценцией» . Нано-буквы . 15 (7): 4611–4615. Бибкод : 2015NanoL..15.4611F . дои : 10.1021/acs.nanolett.5b01233 . ISSN 1530-6984 . ПМИД 26031416 .
- ^ Малер, Бенуа; Надаль, Брайс; Буэ, Сесиль; Патриарх Жиль; Дюбертре, Бенуа (14 ноября 2012 г.). «Коллоидные полупроводниковые нанотромбоциты ядро/оболочка» . Журнал Американского химического общества . 134 (45): 18591–18598. дои : 10.1021/ja307944d . ISSN 0002-7863 . ПМИД 23057684 .
- ^ Келестемур, Юсуф; Олютас, Мюрат; Молодой человек, Война; Гузельтюрк, Бурак; Акгуль, Мехмет Зафер; Демир, Хильми Волкан (29 января 2015 г.). «Коллоидные квантовые ямы типа II: ядро CdSe/CdTe/крауновые гетеронанотромбоциты» . Журнал физической химии С. 119 (4): 2177–2185. дои : 10.1021/jp510466k . hdl : 11693/23136 . ISSN 1932-7447 .
- ^ Васильев Роман Борисович; Лазарева Елизавета П.; Карлова Дарья А.; Гаршев Алексей Владимирович; Яо, Юаньчжао; Курода, Такаши; Гаськов Александр Михайлович; Сакода, Кадзуаки (13 марта 2018 г.). «Спонтанное сворачивание нанолистов CdTe, индуцированное лигандным обменом» . Химия материалов . 30 (5): 1710–1717. doi : 10.1021/acs.chemmater.7b05324 . ISSN 0897-4756 .
- ^ Дэн, Чжэнтао; Цао, Ди; Он, Джин; Лин, Су; Линдси, Стюарт М.; Лю, Ян (24 июля 2012 г.). «Синтез раствора ультратонких монокристаллических SnS-нанолент для фотодетекторов методом фазового перехода и обработки поверхности» . АСУ Нано . 6 (7): 6197–6207. дои : 10.1021/nn302504p . ISSN 1936-0851 . ПМИД 22738287 .
- ^ Акинванде, Д.; Бреннан, CJ; Банч, Дж.С.; Эгбертс, П.; Фелтс, младший; Гао, Х.; Хуанг, Р.; Ким, Ж.-С.; Ли, Т.; Ли, Ю.; Лихти, КМ; Лу, Н.; Парк, HS; Рид, Э.Дж.; Ван, П.; Якобсон, Б.И.; Чжан, Т.; Чжан, Ю.-В.; Чжоу, Ю.; Чжу, Ю. Обзор механики и механических свойств 2D-материалов — графена и не только. Экстремальный мех. Летт. 2017 , 13 , 42–77. https://doi.org/10.1016/j.eml.2017.01.008.
- ^ Ли, К.; Вэй, X.; Кисар, Дж.В.; Хон, Дж. Измерение упругих свойств и внутренней прочности монослойного графена. Наука 2008 , 321 (5887), 385–388. https://doi.org/10.1126/science.1157996.
- ^ Чжан, П.; Ма, Л.; Фан, Ф.; Цзэн, З.; Пэн, К.; Адвокат, ЧП; Лю, З.; Гонг, Ю.; Чжан, Дж.; Чжан, X.; Аджаян, премьер-министр; Чжу, Т.; Лу, Дж. Вязкость графена к разрушению. Нат. Общий. 2014 , 5 (1), 3782. https://doi.org/10.1038/ncomms4782.
- ↑ Дорриерон, Джейсон (4 декабря 2014 г.). «Графеновая броня будет легкой, гибкой и намного прочнее стали». Центр сингулярности . Проверено 6 октября 2016 г.
- ^ Фалин, А.; Кай, К.; Сантос, EJG; Скаллион, Д.; Цянь, Д.; Чжан, Р.; Ян, З.; Хуанг, С.; Ватанабэ, К.; Танигучи, Т.; Барнетт, MR; Чен, Ю.; Руофф, РС; Ли, Л.Х. Механические свойства атомарно тонкого нитрида бора и роль межслоевых взаимодействий. Нат. Коммун. 2017 , 8 , 15815. https://doi.org/10.1038/ncomms15815.
- ^ Конли, HJ; Ван, Б.; Зиглер, Дж.И.; Хаглунд-младший, РФ; Пантелидес, СТ; Болотин, К.И. Инженерия запрещенной зоны напряженного монослоя и двухслоя MoS2. Нано Летт. 2013 , 13 (8), 3626–3630. https://doi.org/10.1021/nl4014748.
- ^ Перейти обратно: а б Бертолацци, С.; Бривио, Дж.; Кис, А. Растяжение и разрыв ультратонкого MoS2. АСУ Нано 2011 , 5 (12), 9703–9709. https://doi.org/10.1021/nn203879f.
- ^ Кастельянос-Гомес, А.; Пут, М.; Стил, Джорджия; ван дер Зант, HSJ; Аграит, Н.; Рубио-Боллинджер, Г. Упругие свойства свободно подвешенных нанолистов MoS2. Адв. Матер. 2012 , 24 (6), 772–775. https://doi.org/10.1002/adma.201103965.
- ^ Онг, Чжун-Ён; Пэ, Мён Хо (2019). «Рассеяние энергии в 2D-устройствах Ван дер Ваальса». 2D материалы . 6 (3): 032005. arXiv : 1904.09752 . Бибкод : 2019TDM.....6c2005O . дои : 10.1088/2053-1583/ab20ea . S2CID 128345575 .
- ^ Макклеллан, Коннор. «Стэнфордские тенденции в области 2D-устройств» .
- ^ Шанмугам, Марияппан; Джейкобс-Гедрим, Робин; Сон, Ый Санг; Ю, Бин (2014). «Двумерные слоистые гетероструктуры полупроводник/графен для солнечных фотоэлектрических приложений». Наномасштаб . 6 (21): 12682–12689. Бибкод : 2014Nanos...612682S . дои : 10.1039/C4NR03334E . ISSN 2040-3364 . ПМИД 25210837 .
- ^ Кимле, Йонас; и др. (2020). «Контроль орбитального характера непрямых экситонов в гетеробислоях MoS 2 /WS 2 » . Физ. Преподобный Б. 101 (12): 121404. arXiv : 1912.02479 . Бибкод : 2020PhRvB.101l1404K . дои : 10.1103/PhysRevB.101.121404 . S2CID 208637170 .