استراتژی رشد، انتقال کوانتومی همدست را در نیمهرساناهای تکلایه MoS₂ امکانپذیر میسازد
نوشته اینگرید فدلی، Phys.org
نیمهرساناهای دو‑بعدی (2D) موادی نازک (یعنی با ضخامت یک اتم) با ویژگیهای الکترونیکی برتر هستند. این مواد برای توسعه الکترونیکهای نازک و عملکرد بالا، مانند ردیابهای تناسب اندام و دستگاههای قابل حمل، نویدبخش بودهاند.
نیمهرسانای دو‑بعدی که توجه ویژهای را در جامعه الکترونیک جلب کرده است، مولیبدن دیسولفید (MoS2) است؛ یک دیچالوژنید فلز انتقالی که از یک اتم فلز و دو اتم کالکوژن تشکیل شده. برای ساخت الکترونیکهای بزرگسطح قابل اعتماد بر پایه لایههای MoS2، مهندسان باید این ماده را به‑صورت یکنواخت بر روی سطوح به‑مقیاس ویفر رشد دهند و نقصهای باعث کاهش عملکرد دستگاهها را به حداقل برسانند.
«لایههای تکجرم دیچالوژنیدهای فلز انتقالی، مانند مولیبدن دیسولفید، میتوانند بستر بالقوهای برای حملونقل حاملها در دو‑بعدی باشند»، نوشت گنهو مون، سُک‑هو لی و همکارانشان.
«با این حال، اگرچه لایههای تکجرم تککریستالی در مقیاس ویفر با استفاده از اپیتاکسی همجهت همجوشی رشد یافتهاند، دستیابی به حملونقل دو‑بعدی همدست در همان مقیاس هنوز چالشبرانگیز است. این مشکل عمدتاً به دلیل وجود نقصهای بلوری باقیمانده، مانند نقصهای خطی یکبعدی و نقطهای، که هنگام همپیوندی چندین دانه بوجود میآیند، است.»
محققان با هدف یافتن روشی برای تولید نیمهرساناهای دو‑بعدی تکلایه با نقصهای کمتر که در نتیجه عملکرد قابل اعتمادتری داشته باشند، بهکار گرفتند. استراتژی پیشنهادی آنها ترکیبی است از تکنیک پرکاربرد رشد اپیتاکسی و کنترل دقیق جنبشهای همپیوندی (coalescence kinetics).
استراتژی بهبود یافته رشد اپیتاکسی
برای ارزیابی پتانسیل استراتژی پیشنهادی رشد نیمهرساناهای دو‑بعدی، محققان از آن برای رشد لایههای تک‑جرم بزرگ و تککریستالی MoS2 بر روی سابستراهای سفیر استفاده کردند. با کنترل چگونگی ادغام دانههای بلوری بر روی سابستراها، توانستند نقصها را بهطور چشمگیری به حداقل برسانند.
برای سنجش عملکرد نمونههای مواد ایجاد شده با این روش، تیم تحقیقاتی رفتار الکتریکی آنها را در دماهای پایین بررسی کرد. بهویژه، حملونقل کوانتومی آنها مورد بررسی قرار گرفت که برای عملکرد بسیاری از دستگاهها حیاتی است.
«ما رشد اپیتاکسی MoS2 تک‑کریستالی در مقیاس ویفر را گزارش میکنیم که نقصها با کنترل جنبشهای همپیوندی بر روی سابستراهای سفیر ویجینال به حداقل رسیدهاند»، نوشتند. «کانالهای حاصل نشانگر حملونقل همدست — بهصورت موضعیسازی ضعیف و بروز اثر هال کوانتومی در دمای پایین — و همچنین تحرک هال برابر ۱٬۲۰۰ cm2 V−1 s−1 هستند.»
دلالتها برای توسعه ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) و سایر الکترونیکها
با استفاده از روش پیشنهادی، محققان توانستند کانالهای همدست بر پایه MoS2 تک‑کریستالی ایجاد کنند. سپس این کانالها را برای ساخت آرایههایی از ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) به کار گرفتند؛ قطعاتی که جریان الکتریکی را در دستگاههای الکترونیکی کنترل میکنند.
FETهای تیم دارای یکمیانگین تحرک حدود ۱۰۰ cm2 V−1 s−1 و سوئینگ زیرآستانه حداقل بسیار عالی حدود ۶۵ mV dec−1 در دمای اتاق بودند. این نتایج پتانسیل استراتژی کنترلشده رشد اپیتاکسی برای تولید مداوم نیمهرساناهای تک‑کریستالی MoS2 یکنواخت را نشان میدهند.
در آینده، این کار میتواند به تولید مقیاسپذیر و قابل اطمینان انواع الکترونیکهای کممصرف و با چگالی بالا بر پایه نیمهرساناهای دو‑بعدی کمک کند.
اطلاعات بیشتر: گنهو مون و همکاران، نیمهرساناهای تک‑جرم تکلایه با حملونقل کوانتومی همدست توسط اپیتاکسی واندر‑والز ویجینال، Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01496‑x
اطلاعات مجله: Nature Electronics
© 2025 Science X Network