Naukowcy z UC Santa Barbara we współpracy z University of Notre Dame zademonstrowali tranzystor wytworzony z monowarstwy dwuselenianu wolframu (WSe2). Dwuwymiarową atomową sieć krystaliczną sklasyfikowano jako przejściowy metal dwuchalkogenowy (TMD – transition metal dichalcogenide).
Odkrycie właściwości dwuselenianu wolframu to także prezentacja pierwszego półprzewodnika typu n, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego. Ogromny potencjał tego materiału może zostać wykorzystany przy produkcji przyszłych energooszczędnych i wydajnych układów scalonych.
Półprzewodniki typu n są półprzewodnikami domieszkowanymi donorami (atomami, które mają większą wartościowość od atomów półprzewodnika samoistnego – pierwiastki V grupy). Półprzewodniki typu n mają więc w swojej budowie znacznie więcej elektronów niż dziur (wolnych miejsc po elektronach).
Sterowanie prądem za pomocą pola elektrycznego odbywa się w tranzystorach polowych (z ang. FET – Field Effect Transistor).
Skład osobowy zespołu badawczego to Kaustav Banerjee, Wei Liu, Jiahao Kang, Deblina Sarkar, Yasin Chatami i profesor Debdeep Jena z Notre Dame. Ich badanie zostało opublikowane w marcu 2013 w czasopiśmie Nano Letters.
Monowarstwa WSe2 jest podobna do grafenu w tym, że ma heksagonalną strukturę atomową, w której sąsiednie warstwy są utrzymywane razem poprzez słabe wiązania Van der Waalsa.
WSe2 ma jednak kluczową przewagę nad grafenem. “Gładkie atomowe powierzchnie mają znaczne luki paśmie 1,6 eV” – wyjaśnia Kaustav Banerjee, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz dyrektor laboratorium nanoelektroniki w UCSB.
Układ tranzystora polowego z WSe2 składa się ze źródła (source, odpowiednik emitera w tranzystorze bipolarnym) i drenu (drain, odpowiednik kolektora). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, w którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (gate, odpowiednik bazy).
“Na całym świecie rośnie zainteresowanie kryształami 2D, ze względu na wiele możliwości, które oferują następnej generacji zintegrowanych układów scalonych, czujników i urządzeń optoelektronicznych” powiedział profesor Pulickel Ajayan, z Rice University, światowej sławy autorytet w dziedzinie nanomateriałów.
“Zrozumienie natury działania metalu TMD była kluczem do sukcesu konstrukcji naszego tranzystora” – powiedział Banerjee. Zastosowanie znalazła tutaj teoria funkcjonałów gęstości (z ang. DFT – density functional theory), która jest szeregiem metod kwantowo-mechanicznych, służących do modelowania struktury cząsteczek chemicznych lub kryształów.
Tranzystory osiągnęły przepływ prądu na poziomie 210 uA/um, która jest najwyższą zgłoszoną wartością prądu przemiennika na monowarstwie TMD opartej na FET. Osiągnęły także mobilność rzędu 142 cm2/Vs, co jest najwyższą wartością dla monowarstwowego TMD FET.
“Symulacje DFT to istotne spojrzenie na różne czynniki, mające wpływ na jakość materiałów 2D, co jest konieczne do osiągnięcia niskich rezystancji kontaktowych” dodał Jiahao Kang, współautor badania.
Źródło:
[1] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/nl304777e/suppl_file/nl304777e_si_001.pdf | 02.08.2013
[2] http://engineering.ucsb.edu/news/711 | 02.08.2013
[3] Nano Lett., 2013, 13 (5), pp 1983–1990 DOI: 10.1021/nl304777e Publication Date (Web): March 25, 2013
[4] Transistors by Paul Downey (psd), flickr.com, CC BY 2.0