Двумерный полупроводник
Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено с двумерных полупроводников )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Двумерный полупроводник (также известный как 2D полупроводник ) - это тип естественного полупроводника с толщиной в атомном масштабе. Гейм, 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] Двухмерный однослойный полупроводник важен, потому что он демонстрирует более сильную пьезоэлектрическую связь, чем традиционно используемые объемные формы. Эта связь может позволить приложениям. [2] Одно из исследований сосредоточено на разработке наноэлектронных компонентов с использованием графена в качестве электрического проводника ., гексагональный нитрид бора в качестве электрического изолятора и дихалькогенид переходного металла в качестве полупроводника . [3] [4]

Материалы

Однослойный графен

Графен

Основная статья: Графен

Графен, состоящий из отдельных слоев атомов углерода, обладает высокой подвижностью электронов и высокой теплопроводностью . Одной из проблем, связанных с графеном, является отсутствие в нем запрещенной зоны , что создает проблему, в частности, для цифровой электроники, поскольку она не может отключать полевые транзисторы (FET). [3] Нанолисты других элементов IV группы (Si, Ge и Sn) обладают структурными и электронными свойствами, подобными графену. [5]

Слоистая структура ч-БН

Гексагональный нитрид бора

Однослойный гексагональный нитрид бора (h-BN) представляет собой изолятор с большой запрещенной зоной (5,97 эВ). [6] Однако он также может функционировать как полупроводник с повышенной проводимостью из-за его острых зигзагообразных краев и вакансий. h-BN часто используется в качестве подложки и барьера из-за его изоляционных свойств. h-BN также обладает большой теплопроводностью.

Слоистая структура MoS 2 , Mo - зеленым, S - желтым

Дихалькогениды переходных металлов

Основная статья: Монослои дихалькогенидов переходных металлов

Монослои дихалькогенидов переходных металлов (TMD или TMDC) представляют собой класс двумерных материалов, которые имеют химическую формулу MX 2 , где M представляет переходные металлы из групп VI, V и VI, а X представляет собой халькоген , такой как сера , селен или теллур . [7] MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 и WSe 2TMDC. TMDC имеют слоистую структуру с плоскостью атомов металла между двумя плоскостями атомов халькогена, как показано на рисунке 1. Каждый слой связан прочно в плоскости, но слабо в промежуточных слоях. Следовательно, TMDC можно легко расслоить до атомарно тонких слоев с помощью различных методов. TMDC демонстрируют зависящие от слоя оптические и электрические свойства. При расслоении на монослои запрещенные зоны нескольких TMDC изменяются с непрямых на прямые [8] , что приводит к широкому применению в наноэлектронике, [3] оптоэлектронике [9] [10] и квантовых вычислениях . [11]

Синтез

Установка CVD для синтеза MoS 2

2D полупроводниковые материалы часто синтезируются с использованием метода химического осаждения из газовой фазы (CVD). Поскольку CVD может обеспечить качественный и хорошо контролируемый послойный рост двумерных полупроводниковых материалов на большой площади, он также позволяет синтезировать двумерные гетеропереходы . [12] При создании устройств путем складывания различных 2D материалов часто используется механическое отслаивание с последующим переносом. [4] [7] Другие возможные методы синтеза включают химическое расслоение, гидротермальный синтез и термическое разложение .

Предлагаемые приложения

Предложено транзисторное устройство с высокой подвижностью электронов на основе TMDC с контактом Шоттки с верхним затвором и слоями TMDC с различными уровнями легирования. [13]

Некоторые приложения включают электронные устройства, [14] фотонные устройства и устройства сбора энергии, а также гибкие и прозрачные подложки. [3] Другие приложения включают в себя квантовые вычислительные устройства с кубитами [11] , солнечные элементы [15] и гибкую электронику. [7]

Предлагаемый vdW-кубит, состоящий из ZrSe 2 / SnSe 2 . На электрод V G прикладывается вертикальное электрическое поле, изменяющее состояние электрона в зоне проводимости, представленной зеленой сферой Блоха. Zr, Sn и Se окрашены в красный, синий и серый цвета соответственно. [11]

Квантовые вычисления

Теоретическая работа предсказала управление гибридизацией краев зон на некоторых гетероструктурах Ван-дер-Ваальса с помощью электрических полей и предложила его использование в устройствах с квантовыми битами, рассматривая гетерослой ZrSe 2 / SnSe 2 в качестве примера. [11] Дальнейшая экспериментальная работа подтвердила эти предсказания для случая гетерослоя MoS 2 / WS 2 . [16]

Магнитные НЭМС

2D-слоистые магнитные материалы являются привлекательными строительными блоками для наноэлектромеханических систем (NEMS): хотя они обладают высокой жесткостью, прочностью и малой массой с другими 2D-материалами, они обладают магнитной активностью. Среди большого класса недавно появившихся 2D слоистых магнитных материалов особый интерес представляет малослойный CrI3, магнитное основное состояние которого состоит из антиферромагнитно связанных ферромагнитных (ФМ) монослоев с легкими осями вне плоскости. Межслоевое обменное взаимодействие относительно слабо, магнитное поле порядка 0,5 Тл в направлении вне плоскости () может вызвать спин-флип-переход в двухслойном CrI3. Недавно были продемонстрированы замечательные явления и концепции устройств, основанные на обнаружении и управлении межслойным магнитным состоянием, включая гигантское магнитосопротивление спинового фильтра,магнитное переключение электрическим полем или электростатическим легированием и спиновые транзисторы. Связь между магнитными и механическими свойствами в атомно-тонких материалах, основа 2D магнитных НЭМС, однако, остается неуловимой, хотя НЭМС, изготовленные из более толстых магнитных материалов или покрытые FM-металлами, уже были изучены.

использованная литература

  1. ↑ Новоселов, KS (2004). «Эффект электрического поля в атомно тонких углеродных пленках». Наука . 306 (5696): 666–669. arXiv : cond-mat / 0410550 . Bibcode : 2004Sci ... 306..666N . DOI : 10.1126 / science.1102896 . ISSN  0036-8075 . PMID  15499015 .
  2. ^ Песня, Xiufeng; Ху, Цзиньлянь; Цзэн, Хайбо (2013). «Двумерные полупроводники: недавний прогресс и перспективы на будущее» . Журнал химии материалов C. 1 (17): 2952. DOI : 10.1039 / C3TC00710C .
  3. ^ a b c d Radisavljevic, B .; Раденович, А .; Brivio, J .; Giacometti, V .; Кис, А. (2011). «Однослойные транзисторы MoS 2 » . Природа Нанотехнологии . 6 (3): 147–150. Bibcode : 2011NatNa ... 6..147R . DOI : 10.1038 / nnano.2010.279 . PMID 21278752 . 
  4. ^ a b Гейм, АК; Григорьева И.В. (2013). «Гетероструктуры Ван-дер-Ваальса». Природа . 499 (7459): 419–425. arXiv : 1307,6718 . DOI : 10,1038 / природа12385 . ISSN 0028-0836 . PMID 23887427 .  
  5. ^ Гарсия, JC; де Лима, DB; Ассали, LVC; Хусто, Дж. Ф. (2011). «Графен и графаноподобные нанолисты группы IV». J. Phys. Chem. C. _ 115 (27): 13242. arXiv : 1204.2875 . DOI : 10.1021 / jp203657w .
  6. ^ Дин, CR; Янг, AF; Meric, I .; Lee, C .; Wang, L .; Sorgenfrei, S .; Watanabe, K .; Taniguchi, T .; Kim, P .; Шепард, KL; Хоун, Дж. (2010). «Подложки из нитрида бора для высококачественной графеновой электроники». Природа Нанотехнологии . 5 (10): 722–726. arXiv : 1005,4917 . Bibcode : 2010NatNa ... 5..722D . DOI : 10.1038 / nnano.2010.172 . ISSN 1748-3387 . PMID 20729834 .  
  7. ^ a b c Ван, Цин Хуа; Калантар-Заде, Курош; Кис, Андрас; Коулман, Джонатан Н .; Страна, Майкл С. (2012). «Электроника и оптоэлектроника двумерных дихалькогенидов переходных металлов» . Природа Нанотехнологии . 7 (11): 699–712. Bibcode : 2012NatNa ... 7..699W . DOI : 10.1038 / nnano.2012.193 . ISSN 1748-3387 . PMID 23132225 .  
  8. ^ Kuc, A .; Zibouche, N .; Гейне, Т. (2011). «Влияние размерного квантования на электронную структуру сульфида переходного металла TS2». Физический обзор B. 83 (24): 245213. arXiv : 1104.3670 . Bibcode : 2011PhRvB..83x5213K . DOI : 10.1103 / PhysRevB.83.245213 . ISSN 1098-0121 . 
  9. ^ Wilson, JA; Иоффе А.Д. (1969). «Обсуждение дихалькогенидов переходных металлов и интерпретация наблюдаемых оптических, электрических и структурных свойств». Успехи физики . 18 (73): 193–335. Bibcode : 1969AdPhy..18..193W . DOI : 10.1080 / 00018736900101307 . ISSN 0001-8732 . 
  10. ^ Йоффе, AD (1973). «Слоистые соединения». Ежегодный обзор материаловедения . 3 (1): 147–170. Bibcode : 1973AnRMS ... 3..147Y . DOI : 10.1146 / annurev.ms.03.080173.001051 . ISSN 0084-6600 . 
  11. ^ a b c d Б. Люкатто; и другие. (2019). «Зарядный кубит в гетероструктурах Ван-дер-Ваальса» . Физический обзор B. 100 (12): 121406. arXiv : 1904.10785 . DOI : 10.1103 / PhysRevB.100.121406 .
  12. ^ Дуань, Сидун; Ван, Чен; Шоу, Джонатан С .; Ченг, Руи; Чен, Ю; Ли, Хунлай; У, Сюэпин; Тан, Инь; Чжан, Циньлин; Пан, Анлиан; Цзян, Цзяньхуэй; Ю, Жукинг; Хуанг, Ю; Дуань, Сянфэн (2014). «Боковой эпитаксиальный рост двумерных слоистых полупроводниковых гетеропереходов». Природа Нанотехнологии . 9 (12): 1024–1030. Bibcode : 2014NatNa ... 9.1024D . DOI : 10.1038 / nnano.2014.222 . ISSN 1748-3387 . PMID 25262331 .  
  13. ^ Онг, Чжун-Юн; Пэ, Мён-Хо (2019). «Рассеяние энергии в 2D-устройствах Ван-дер-Ваальса». 2D материалы . 6 (3): 032005. arXiv : 1904.09752 . DOI : 10.1088 / 2053-1583 / ab20ea .
  14. ^ «Stanford 2D Device Trends» .
  15. ^ Шанмугам, Мариаппан; Джейкобс-Гедрим, Робин; Сонг, Юи Санг; Ю, Бин (2014). "Двумерные слоистые гетероструктуры полупроводник / графен для солнечных фотоэлектрических приложений". Наноразмер . 6 (21): 12682–12689. Бибкод : 2014Nanos ... 612682S . DOI : 10.1039 / C4NR03334E . ISSN 2040-3364 . PMID 25210837 .  
  16. ^ Кимле, Йонас; и другие. (2020). «Управление орбитальным характером непрямых экситонов в гетерослоях MoS 2 / WS 2 » . Phys. Ред . Б. 101 (12): 121404. arXiv : 1912.02479 . DOI : 10.1103 / PhysRevB.101.121404 .
Получено с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Two-dimensional_semiconductor&oldid=1057826445 .
Contribute a better translation