二维半导体是厚度在原子尺度上的半导体材料,具有优异的电子性能。在未来,这些材料有可能在众多电子和光电子器件的开发中取代硅。
尽管2D半导体具有优势,但到目前为止,其使用受到限制,部分原因是其在室温下的载流子迁移率较低。这是由材料晶格中声子(即与集体原子振动相关的准粒子)的强烈散射引起的。
新加坡科学技术研究机构(A*STAR)和中国香港香港理工大学的研究人员最近设计了一种设计策略,可以帮助克服这一限制,提高2D材料的载流子迁移率。他们提出的方法在《自然电子》(Nature Electronics)上发表的一篇论文中概述,需要在2D材料中引入晶格畸变,使用凸起的基板。
“我们的论文受到了Tao Liu等人2019年在具有高表面粗糙度的基板上观察到的2D TMD中的高载流子迁移率的启发,”Ming Yang博士和Jing Wu博士说。进行这项研究的两名研究人员告诉TechXplore。“然而,观察到的迁移率增强仅仅归因于应变效应,其基本机制尚不清楚。为此,我们进行了更深入的研究,以揭示导致迁移率显著增强的潜在物理机制,并证明晶格工程是在室温下创建高性能电子器件的有效策略。”
改善2D半导体载流子迁移率的大多数传统策略依赖于获得理想的晶格结构。另一方面,杨、吴和他们的同事提出的策略只需要引入凸起的衬底,这会在二维半导体中产生波纹,并抑制声子的散射。
杨和吴解释说:“我们简单地将2D材料放置在具有凸起形态的基底上,在材料中产生波纹,导致晶格畸变。”。“通常情况下,晶格畸变会对载流子迁移率产生不利影响。然而,我们表明,这种晶格畸变会产生更大的电极化,这不仅可以使声子频率重新规范化,从而有效抑制电子和声子之间的散射,还可以提高固有介电常数,以进一步屏蔽极性声子散射。”
与其他现有的提高二维半导体载流子迁移率的方法相比,这些研究人员提出的策略既简单又经济。作为研究的一部分,该团队在2D二硫化钼(MoS2)上进行了测试,发现其室温载流子迁移率约为900鈥塩平方米鈥塚鈭?鈥塻鈭?, 这超过了平坦MoS2的预测声子有限迁移率(范围在200到410之间)鈥塩平方米鈥塚鈭?鈥塻鈭?).
杨和吴说:“在波纹MoS2中观察到的迁移率增强和载流子迁移率如此高的潜在机制尤其值得注意,波纹MoS2的载流子迁移率超过了平坦MoS2中预测的声子有限迁移率。”。“如此高的载流子迁移率可以为低功耗电子产品铺平道路,也是从场效应晶体管到光电探测器等大多数应用的重要参数。”
该研究团队开展的研究突显了晶格工程策略在提高室温下电子和热电设备性能方面的巨大潜力。未来,他们的方法可以用于创建基于2D半导体的更高效设备。此外,它可能会启发基于晶格工程的其他设计策略的开发。
杨和吴补充说:“在接下来的研究中,我们计划系统地创建波纹/凸起基底,以最小化变异性,并研究凸起之间的相关性。”。
漏 2022年科学X网络