Vật liệu bán dẫn hai chiều (2D) đã tỏ ra rất hứa hẹn cho sự phát triển của các thiết bị điện tử khác nhau, bao gồm cả thiết bị đeo được và các thiết bị điện tử nhỏ hơn. Những vật liệu này có thể có những lợi thế đáng kể so với các vật liệu cồng kềnh của chúng, chẳng hạn như duy trì khả năng di chuyển của vật mang bất kể độ dày giảm đi.
Quy trình chế tạo máy bóc vdW của BP. a, b, Sơ đồ (a) và hình ảnh quang học (b) của vảy BP đa lớp được tẩy tế bào chết trên đế silicon. c, d, Sơ đồ (c) và hình ảnh quang học (d) của sọc Pt được dán vật lý lên trên lớp vảy BP. e,f, Bằng cách bóc lớp Pt (e) về mặt vật lý, lớp BP trên cùng được loại bỏ khô và các đặc tính bên trong của các lớp còn lại được giữ lại (f). 1L, một lớp. g, h, đo chiều cao AFM (g) và hình ảnh AFM phóng to (h) cho vảy HA đã bóc vdW được hiển thị trong f. Vùng mỏng thể hiện độ nhám bề mặt nhỏ (bình phương trung bình gốc, rms) là 0,15 nm, biểu thị bề mặt nguyên sơ sau quá trình lột vdW. i, Hình ảnh quang học về lần bong tróc thứ hai của vảy BP được hiển thị trong f, với góc xoay 90 ° của dải Pt. Thanh tỷ lệ, 10 m ở b, d, f và i, 3 m ở g và 1 m ở h. Nguồn: Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-01087-8
Bất chấp lời hứa tạo ra các thiết bị điện tử mỏng, chất bán dẫn 2D cho đến nay hiếm khi được sử dụng để tạo ra bóng bán dẫn đơn lớp, phiên bản mỏng hơn của các linh kiện điện tử quan trọng dùng để điều chế và khuếch đại dòng điện bên trong hầu hết các thiết bị hiện có. Hầu hết các bóng bán dẫn đơn lớp được đề xuất dựa trên chất bán dẫn 2D đều được tạo ra bằng cách sử dụng một số vật liệu được lựa chọn cẩn thận có cấu trúc mạng tương đối ổn định, chẳng hạn như graphene, vonfram diselenide hoặc molybdenum disulfide (MoS2 ) .
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Hồ Nam, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Vũ Hán gần đây đã bắt đầu phát triển các bóng bán dẫn đơn lớp mới sử dụng các vật liệu bán dẫn 2D thay thế mà cho đến nay chủ yếu được sử dụng để tạo ra các bóng bán dẫn nhiều lớp, bao gồm phốt pho đen (BP) và germanium arsenide ( GeAs). Công trình của họ được công bố trên tạp chí Nature Electronics .
Wangying Li, Quanyang Tao và các đồng nghiệp của họ: “Đối với một số vật liệu 2D đầy hứa hẹn, chẳng hạn như phốt pho đen và arsenide gecmani, việc chế tạo các bóng bán dẫn đơn lớp là một thách thức và bị hạn chế bởi những khó khăn trong việc hình thành các tiếp xúc điện mạnh mẽ với các vật liệu 2D tinh tế”. đã viết trong bài báo của họ. “Chúng tôi báo cáo việc chế tạo các bóng bán dẫn phốt pho đen và germanium arsenide đơn lớp với các tiếp điểm nâng lên ba chiều bằng cách sử dụng kỹ thuật bóc tách van der Waals.”
Mục tiêu chính trong công việc gần đây của nhóm các nhà nghiên cứu này là tạo ra các bóng bán dẫn mới dựa trên chất bán dẫn 2D đơn lớp ngoài những chất bán dẫn cho đến nay chủ yếu được sử dụng trong thiết kế bóng bán dẫn đơn lớp. Điều này đặt ra một số thách thức vì một số vật liệu này khó thu nhỏ quy mô một cách đồng nhất mà không ảnh hưởng đến các đặc tính bên trong của chúng.
Để đạt được điều này, Li, Tao và các cộng tác viên của họ đã phát minh ra kỹ thuật bóc tách van der Waals (vdW) có thể được sử dụng để tạo ra các bóng bán dẫn 2D đơn lớp với các tiếp điểm nâng lên 3D. Kỹ thuật này đòi hỏi phải dán các kim loại phẳng lên các kênh 2D nhiều lớp, từ đó cho phép các nhà nghiên cứu loại bỏ lớp bán dẫn ở trên cùng của ngăn xếp bằng cách bóc lớp kim loại ra.
Li, Tao và các đồng nghiệp của họ viết: “Thông qua quá trình bóc tách cơ học từng lớp, vùng kênh của bóng bán dẫn phốt pho đen đa lớp có thể giảm dần xuống độ dày đơn lớp mà không làm suy giảm mạng tinh tế của nó và vẫn giữ được vùng tiếp xúc nhiều lớp”.
Là một phần của nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật bóc tách được đề xuất để tạo ra các mối nối đồng nhất và siêu mạng đồng nhất dựa trên nhiều chất bán dẫn 2D khác nhau, bao gồm BP, GeAs, InSe (indium selenide) và GaSe (gallium selenide).
Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng phương pháp đề xuất cho phép họ làm mỏng phần kênh của bóng bán dẫn trong khi vẫn duy trì độ dày cần thiết ở vùng tiếp xúc.
Li, Tao và các đồng nghiệp của họ viết: “Sử dụng kỹ thuật này, chúng tôi đo các đặc tính điện của cùng một bóng bán dẫn 2D với độ dày kênh khác nhau”. “Chúng tôi nhận thấy rằng độ linh động mang của phốt pho đen giảm mạnh khi giảm độ dày cơ thể, hoạt động giống như một chất bán dẫn khối thông thường hơn là chất bán dẫn van der Waals tinh khiết.”
Là một phần của nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của kỹ thuật của họ trong việc phát triển các bóng bán dẫn đơn lớp đầy hứa hẹn với các tiếp điểm nâng cao 3D dựa trên BP và GeAs. Trong tương lai, phương pháp bóc tách từng lớp của họ có thể mở ra những chân trời mới cho việc tạo ra các bóng bán dẫn mỏng hơn và có khả năng mở rộng bằng cách sử dụng chất bán dẫn 2D không phổ biến thường được coi là hoạt động kém đối với các ứng dụng này.
"Công trình này có ý nghĩa tiềm tàng đối với các vật liệu đơn lớp không ổn định khác ngoài chất bán dẫn 2D như đơn lớp hữu cơ và đơn lớp perovskite, trước đây được coi là không dẫn điện hoặc có đặc tính nội tại kém, nhưng thực tế bị hạn chế bởi sự tiếp xúc kém giữa các vật liệu." kim loại và đơn lớp”, Li, Tao và các đồng nghiệp của họ nói thêm.
