הבנת התכונות החשמליות של חומרים דו-ממדיים (2D) חיונית לקידום ננוטכנולוגיה, אלקטרוניקה הדור הבא, ומכשירים אופטיקוניים.בין הפרמטרים הבסיסיים ביותר המגדירים ביצועים אלקטרוניים של חומר הם מוליכות חשמלית וניידות מטען. שתי הכמויות הללו קובעות ביעילות את החומרים הניטורניים השונים של ה- nitoelectronic ו-Digitalommenting אותם במהירות יכול לעבור דרך ה- lattice כאשר שדה חשמלי חיצוני הוא מיושם ב 2Denexic, כגון חומרים אלה, חומר מתכתיגרפיים (חומרים) ו- 2Dic 2Dic) באופן דרמטי, כלומר, כלומר, חומרים אלה, חומרים אלה, כלומר, חומרים אלה, חומרים אלה, חומרים אופטיים אופטיים (חומרים) ממתכתיים (חומרים) ו-Dide) במהירות, בין חומרים אלה, במהירות, בין חומרים אופטיים) במהירות, בין חומרים אופטיים (חומרים) ממתכתיים) בין חומרים אופטיים) ממתכתיים (חומרים) בין חומרים אופטיים מדויקים (חומרים) בין חומרים אופטיים) ו-Dide) בין חומרים אופטימסוג 2Dide) לבין חומר זה, במהירות, בין חומרים אופטימדומים (חומרים) לבין חומר זה, בין חומרים

מה זה התנהגות בחומרים 2D?

(הופנה מהדף היווני ⁇ (sigma), מודד את היכולת של החומר לשאת זרם חשמלי.בחומר תלת-ממדי גדול, מוליכות מוגדרת כתוספת של התנגדות ויש לו יחידות של אחנס למטר (S/m) עם זאת, עבור חומרים 2D, מידה מתאימה יותר היא התנהגות ( ⁇ F:0serts) של יחידות של תאים אטומיים (S/S) ו- אטומיים) יש רק ל- 1-S/S/S/S) ל- אטומיים (S/m).

מוליכות תלויה בצפיפות של מובילי מטען ניידים (n או p) וכמה בקלות ספקים אלה יכולים לנוע.מודל דאוד מספק ביטוי קלאסי פשוט: ⁇ = n e μ, שבו FLT:0eFLT:1 הוא המטען היסודי, ו FLT:2 מיקרו-FLT 3: הוא המוביל.

מה זה אלקטרון ניידות?

(החליה אלקטרון) מנבאת כמה מהר אלקטרונים נסחף באמצעות חומר תחת השפעת שדה חשמלי.ההגדרה כ- μ=VearFLT:0;0;0;0;5 הוא שדה חשמלי של 1/E, שבו vFLT:2doriph:2dphs פחות מ"מ) הוא סחף מהירות ו-FLT:5 הוא שדה הניידות מוחל באופן מהיר יותר.

בחומרים 2D, ניידות נשלטת על ידי מנגנונים פיזור אינטריאני וקיצוניים. מקורות אינטרינריים כוללים פיזור אקוסטי ואופטי של פוניון אופטי, אשר תלוי בטמפרטורת הנקה והפיזור הפוני של החומרי. מקורות חיצוניים יכולים לכלול מודעות אקופטיות מואשמים מאטומים או מאטומים מעוטים, פני השטח, ופגמים מבניים כמו דגנים או אטומיים בלבד, הם רק חומרים רגישים.

הקשר בין התנהגות ואלקטרוניקה ניידות

הקשר היסודי בין התנהגות וניידות נתפס על ידי הנוסחה דאוד:

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כאשר ⁇ הוא מוליכות, n הוא צפיפות נושא המטען (אזור יחידת עבור מערכות 2D), e הוא המטען היסודי, ו μ הוא המוביל ניידות. משוואה זו מגלה כי בדחיסות נושאת קבועה, מוליכות היא פרופורציה ישירות לניידות. , בניידות קבועה, הגדלת המוביל גם מעלה מוליכות. בניסויים רבים, החוקרים מודדים מוליכות כתפקוד של שער (אשר מודטים) ונומטרה של האזור.

עם זאת, מערכת היחסים אינה תמיד פשוטה.בחומרים 2D, הן n ו- μ יכולים להיות תלויים הדדית.לדוגמה, צפיפות נושאית מוגברת יכולה לשפר את ההקרנה של זיהומים טעונים, ובכך להגדיל את הניידות - תופעה שנצפתה בגרף ו- TMDs מסוימים בטמפרטורות נמוכות.בנוסף, בתקני מסנפקודה גבוהים מאוד, מתפזרות מפוני אופטי או מפוני ממשק מרוחקים עלולים להפוך דומיננטיים, לגרום ניידות כדי להפחית את הביצועים הבין-מסלולאריים או אפילו על ידי 2D.

גורמים מרכזיים משפיעים על התנהגות ועל הניידות

« « « ⁇

פיזור נשא הוא הגורם הדומיננטי להגביל את הניידות בחומרים 2D.המנגנונים המתפזרים העיקריים כוללים:

  • (FLT:0) phonon פיזור: ⁇ FLT:1 ,Lattice רטט (כמו phonons) מאמת את מבנה הלהקה, מה שגורם לנשאים לאבד מומנטום.מנגנון זה בדרך כלל מגביל את הניידות בטמפרטורות גבוהות ובדגימות באיכות גבוהה.
  • (FLT:0 phoptical phononפיזור: ההרחבה:ראה LT:1) רטטים באנרגיה גבוהה, במיוחד אלה עם אופי הקוטב בחומרים כמו MoS2, פיזור חזק של ספקים בטמפרטורות גבוהות או בתנודות נושא גבוה.
  • (FLT:0) צ'רגטי פיזור: אטומים Ionized, בין אם מן המצע (למשל, SiO2) או מ מינון מכוון, ליצור פוטנציאלים ארוכי טווח של Coulomb כי deflect ספקים.זה לעתים קרובות מקור פיזור דומיננטי במדידות דלת-טמפרטורה נמוכה עבור רבים של 2Dconductors.
  • (ב) פיזור:0) ופסחות: פיזור 1:(FLT:1 ; נחיתות מבניות - vacancies, גבולות דגנים, ripples, ו- substrate פני השטח - מציג פיזור קצר טווח המקטין את הניידות ואת ההתנהגויות.

טמפרטורה תלות

(הופנה מהדף חומרים 2D מציג רגישות טמפרטורה חזקה. בטמפרטורות נמוכות, פיזור נשלט על ידי זיהומים ופגמים טעונים, המוביל ניידות כמעט עצמאית טמפרטורה.כפי שטמפרטורות עולה, phonon מפוזר הופך משמעותי יותר, וניידות יורד בדרך כלל כמו TreaFLT:0 ⁇ FLT:1 שבו טווחים מ -0.5 עד 1.5 בהתאם להיקף החומרי והשליטה הדומיננטית של גרף:2D, עקב קיבולת נמוכה יותר של התנהגות LT2D.

חומרי פורה ו Defects

גבישים בעלי רמות נמוכות של פגם חיוניים להשגת ניידות גבוהה והתנהלותיות.בחומרים 2D, פגמים נקודתיים כגון vacancies ב MoS2 או קבוצות פונקציונליות חמצן ב גרף לפעול כמו מלכודות מטען ופיזורים. אפילו פגמים חד-אטומיים יכולים להפחית ביצועים באופן משמעותי כי הזרם מוגבל לטכניקה דק.

מספר שכבות ואפקטים מורכבים

במספר חומרים 2D, מספר השכבות משנה את מבנה הלהקה האלקטרוני, דיאלקטרי הקרנה וסביבת פוניון.לדוגמה, דו-שכבת גרפן יש פערי להקה מתחת לשדה חשמלי, המשפיע על שתי צפיפות נושא וניידות. ב- TMDs, הגדלת מספר השכבות מקטין את פער הלהקה עקיף ומשפר הפיכה בין-שכבות, ומשתפת את המסה יעילה וכך גם את הניידות החיוניות.

התנהגות וניידות בחומרים ספציפיים 2D

Graphene

Graphene הוא אפס-gap סמימטאל עם ניידות גבוהה במיוחד אלקטרונים - עד 200,000 $ 2 / (Vs) בהשעה, מטביע דגימות בטמפרטורה נמוכה.ה מוליכות שלה היא גם גבוהה להפליא, מתקרב הגבול הבליסטי בנקודת Diracity, אך לא ניתן להבחין במכשולים דיגיטליים של 0Vates (אך לא ניתן לראות יותר גרף אלקטרונים) כי לעתים קרובות פיזור גרף של גרף / 000 גרם ל- 000) באופן טבעי של גרף (אופטימיות)

Metal Dichalcogenides (TMDs)

(ג'יננדים כגון MoS2, WS2, MoSe2, ו- WSe2 הם מוליכים למחצה אינסטימאניים עם פערי להקה החל מ 1 עד 2 eV. הניידות שלהם היא בדרך כלל נמוכה יותר מזו של גרפן - בדרך כלל בטווח של 10-200 ס"מ / Vs) עבור דגימות מונוטרה על תת-שכבות - בשל ביצועים חזקים ופיזור גבוה יותר של טמפרטורות גבוהות (pVrp) על ידי קיבולת גבוהה על ידי קיבולת גבוהה יותר על ידי קיבולת גבוהה יותר (RVs) 000) 000 קיבולת גבוהה יותר על ידי קיבולת גבוהה יותר ⁇ .

שחור זרחן

זרחן שחור (BP) הוא מוליכים למחצה שכבתיים עם פער להקה ישיר שהוא שכבות תלויות (0.3-2 eV) הוא מציג ניידות גבוהה של חור - עד 1000 ס"מ2 /(Vs) בפלפלים זעירים- והובלת אלסטוטרופית בשל המבנה הקריסטלי המנוי שלה.

שיטות מדידה

באופן מדויק מדידת מוליכות וניידות בחומרים 2D דורשת טכניקות מיוחדות.השיטה הנפוצה ביותר היא הגיאומטריה של ארבעת-האבים, אשר מבטלת שגיאות התנגדות מגע.על ידי יישום שדה מגנטי ידוע, ה- Hall coefficients מניב את צפיפות המוביל, ואת ההתנגדות לטווח הארוך מספק את הניידות של מערכת יחסים פאסיביות (Factoricial) או טיפול תרופתי (Transpericial Retraveicial) הוא גם כן, אם כי הוא מחושבת) עם שיטות פעולה עם תפקוד אלקטרו-Factoractoractoractoricial (מתאים יותר).

השלכות למכשירים אלקטרוניים

היחסים בין מוליכות וניידות משפיעים ישירות על ביצועי המכשיר.עבור טרנזיסטורים גבוהים, ניידות גבוהה מאפשרת תחבורה מהירה יותר עומס ותאריות חיתוך גבוהה יותר.לדוגמה, טרנסיסטורים רדיו גרפן הוכיחו תדרי הפעלה מעל 100 GHz.בעיגולים לוגיים, יחס גבוה על /קוף דורש גם מוליכים למחצה עם פער להקה, כגון TMDs, ניידות והתנהלות חייב להיות מאוזנת לכדי לקבל תגובה נמוכה של 2D חומרים מתקדמים על פני זמן, כאשר הם מתקדמים.

ארכיטקטורות מתקדמות של מכשירים כגון heterostructures - ערימה של חומרים 2D שונים יחד - לאפשר למהנדסים לייעל הן את ההתנהגויות והניידות באופן עצמאי.לדוגמה, באמצעות שכבת גרפן גבוהה של גרפן עבור תחבורה ושכבה מוליכים למחצה עבור מעבר יכול לשלב את הטוב ביותר של שני העולמות.בנוסף, היכולת לכוון צפיפות באמצעות שדה חשמלי עושה 2D אידיאלי עבור מחשוב אלקטרוניקה ונוירופילרי.

כיוונים עתידיים והתקדמות

מחקר עדכני דחף את גבולות ההתנהלות והניידות בחומרים 2D. Encapsulation של גבישים דקים אטומיים ב hBN הפחיתה את הפיזור האקסטקטי לרמות חסרות תקדים, מה שהביא לגיוסים המתקרבים למגבלות תיאורטיות.הגילוי של גרף דו-שכבות מעוות (magic-angleene) חשף שלבים מתואמות חדשים שבהם התנהגותיות וניידות עמוקות, עקב להקות, אשר השיגו שימוש דרמטי בתבניות מתכת, אשר הובילו באופן דרמטי, אשר עברו שימוש בהתנהגויות מתכת.

במבט קדימה, אתגרים נשארים: דרוג סינתזה של חומרים באיכות גבוהה 2D, צמצום התנגדות מגע, והשגת ביצועים עקביים על פני אזורים גדולים. Machine Learning ו- סינתזה אוטומטית מתעוררים כדי להאיץ את הגילוי של חומרים חדשים 2D עם תכונות תחבורה אופטימיזציה.הבנת המשחק בין מוליכות וניידות ב nanoscale תמשיך להניע חידושים במחשוב קוונטי, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, וחדשניתוק אופטיקו.

מסקנה

מוליכות ואלקטרונית הן שני צדדים של אותו מטבע בחומרים 2D, המחוברים על ידי המשוואה הבסיסית ⁇ = n e μ. בעוד מוליכות מודדת את היכולת הכוללת לשאת נוכחי, ניידות מגלה את הקלות המיקרוסקופית של תנועה של נושאות.המאפיינים הייחודיים של חומרים 2D - מכשירים קיצוניים, טונה, רגישות לסביבה - לעשות את היחסים בין הפרמטרים המרתקים והחשובים ביותר על ידי הבנה ושליטה במנגנונים גלקטיים, כמו גם על ידי מודלים חשמליים, כמו גם על ידי מודלים של חומרים איכותיים, כמו גם על ידי מודלים חשמליים, כמו גם על ידי מודלים של חומרים איכותיים, כמו גם על ידי מודלים חשמליים, כמו גם על ידי מודלים של חומרים איכותיים, כמו גם על ידי מודלים של חומרים איכותיים, כמו גם על ידי מודלים של חומרים איכותיים, כמו גם על ידי פיתוח, וטכנולוגיית, כמו גם על ידי מודלים של חומרים חשמליים, כמו גם על ידי מודלים של חומרים חשמליים, כמו גם על ידי מודלים חשמליים, כמו גם על ידי ייצור חשמל, כמו גם על ידי ייצור, כמו גם על ידי פיתוח, 2D.