Utilizzo di 2d Materiali per dispositivi elettronici e fotonici di prossima generazione

Proprietà chiave Performance del dispositivo di guida

L'appello dei materiali 2D è nella loro estrema anisotropia: elettroni e fotoni interagiscono fortemente all'interno del piano, mentre l'accoppiamento interstrato è debole. Ciò si traduce in una serie di proprietà che sono difficili da raggiungere simultaneamente nei semiconduttori tradizionali:

• Mobilità elevata del vettore:[] Il Graphene espone mobilità elettroni superiori a 200.000 cm2/V·s a basse temperature, mentre i TMD come MoS2 possono raggiungere mobilità superiori a 100 cm2/V·s in forma monostrato.
• Flessibilità meccanica e elasticità:[[] I materiali monostrato 2D possono resistere a raggi di piegatura di pochi micron senza frattura, consentendo dispositivi elettronici e fotonici completamente flessibili.
• interazione leggera forte: Nonostante sia atomicamente sottile, i semiconduttori 2D assorbiscono fino al 10% della luce incidente per monostrato, conseguenza di alta resistenza oscillatore e di forti energie di legatura di eccitoni.
• Struttura elettronica:[] Il bandgap di TMD e fosforo nero varia con spessore (a causa di confinamento quantico) e può essere ulteriormente modulato da tensione, campi elettrici o doping chimico.
• Controllo elettrico:[ Il canale ultra-sottile consente una brusca schermatura elettrostatica, permettendo ai transistor di operare a basse tensioni con alte pendenze sub-sostenibili.

Queste proprietà rendono i materiali 2D convincenti per applicazioni che spingono oltre le capacità dei composti di silicio e III-V, soprattutto negli scenari in cui la leggerezza, la flessibilità o il funzionamento a bassa tensione sono critici.

Applicazioni elettroniche dei materiali 2D

L'applicazione elettronica più immediata dei materiali 2D è in transistor a effetto campo (FET). Poiché il canale può essere solo uno strato atomico di spessore, il cancello perde il suo controllo elettrostatico su tutto il canale, permettendo la scala aggressiva delle dimensioni del transistor, mantenendo bassa corrente fuori stato. Questo è particolarmente promettente per nodi ultra-scalati (sub-5 nm) dove il silicio soffre di gravi effetti a corto-canale.

Transistor e Logic Circuiti Ultra-Scaled

I ricercatori hanno realizzato con successo transistor con lunghezze di canale inferiori a 10 nm utilizzando MoS2 e nanotubi di carbonio, ottenendo prestazioni che rivali o superano i dispositivi convenzionali di silicio. La scorrevolezza atomica delle superfici 2D riduce lo spargimento del vettore, e l'assenza di legami di inclinazione minimizza gli stati di trappola al canale/interfaccia dielettrica. Inoltre, la flessibilità meccanica dei materiali 2D consente a questi transistor di essere integrati su supporti elettronici piegatori di porta piegatori, l'apertura dei binari di allineamento.

Una delle sfide principali dei transistor 2D è la formazione di contatti elettrici a bassa resistenza. La barriera Schottky all'interfaccia metal-semiconductor può dominare il comportamento del dispositivo, soprattutto per i TMD. I recenti progressi includono l'uso di interlayers di grafine, contatti di bordo e contatti metallici con motore a fase (ad esempio, la fase 1T di MoS2) per raggiungere le resistenze di contatto inferiori a 100 Ω.

Elettronica flessibile e sensori indossabili

I materiali 2D sono ideali per dispositivi flessibili e indossabili perché possono essere depositati su polimeri, carta o tessuti mediante esfoliazione meccanica, deposizione di vapore chimico (CVD), o stampa basata su soluzioni.

Computing a bassa potenza e neuromorfica

Oltre alla logica digitale classica, i materiali 2D vengono esplorati per l'elaborazione analogica a bassa potenza e le architetture neuromorfiche. I loro canali atomicamente sottili e il forte controllo elettrostatico li rendono adatti per transistor a ripidi-slope (ad esempio, FET a tunnel e FET a capacità negativa) che possono operare su piattaforme di calcolo sintassi sub-60 mV/decennio.

Applicazioni fotoniche dei materiali 2D

Nelle fotoniche, la forte interazione con la luce e le proprietà ottiche sintonizzate dei materiali 2D consentono dispositivi ultracompatti, veloci ed efficienti. I semiconduttori monostrato come MoS2 e WS2 hanno bandgaps diretti che coprono la gamma visibile a quasi infrarosso, e i loro excitoni – coppie di elettroni ben delimitate – dominano la risposta ottica anche a temperatura ambiente.

Fotoprotezioni e sensori di immagine

I fotodetetectori 2D possono essere progettati per la sensibilità a banda larga (da ultravioletto a metà infrarosso) scegliendo materiali con bandgaps appropriati o utilizzando eterostrutture.

Modulatori e interruttori ottici

I modulatori elettro-ottici convertono i segnali elettrici in modulazione ottica e sono componenti critici per la comunicazione dei dati. I materiali 2D possono ottenere modulazione ad alta velocità perché la loro densità di vettore e il livello di Fermi possono essere sintonizzati rapidamente da una tensione di cancello applicata. I modulatori di Graphene sono stati mostrati per operare a velocità superiori a 50 GHz con piccole impronte di dispositivi.

Dispositivi di emissione luminosa: LED e laser

L'emissione luminosa a spinta elettrica da monostrato TMD è impegnativa a causa dei loro contatti omici e bassa efficienza quantistica. Tuttavia, il lavoro recente ha dimostrato diodi a emissione luminosa (LED) basati su eterogizioni MoS2 e WS2 (ad esempio, con l'ingegneria hBN o WSe2) con l'emissione in rosso e vicino all'infrarosso.

Eterostrutture e dispositivi ibridi

Uno dei più potenti elementi dei materiali 2D è la capacità di impilare diversi strati insieme alla scala atomica per formare eterostrutture van der Waals. Questi cristalli artificiali possono combinare materiali con proprietà complementari, ad esempio, uno strato superiore in grafine per elettrodi trasparenti e un monostrato TMD come strato optoelettronico attivo, senza vincoli di accoppiamento reticolare.

Sfide e direzioni future

Nonostante la straordinaria promessa di materiali 2D, molti ostacoli rimangono sul percorso di distribuzione commerciale. La più critica è la sintesi su larga scala con la qualità uniforme e lo spessore controllato. Mentre l'esfoliazione meccanica rimane il metodo di scelta per gli studi fondamentali, non è scalabile.

Contatti e dielettriche

La qualità dei contatti metallici e dei dielettrici a cancello rimane un importante collo di bottiglia di prestazioni. L'altezza della barriera Schottky alle interfacce metalliche-2D può essere ridotta utilizzando metalli a bassa funzione, contatti inerti in grafine, o TMD metallici a ingegneria di fase. Tuttavia, la riproducibilità in grandi aree è ancora carente.

Integrazione con la tecnologia Silicon

Per realizzare l'impatto completo dei materiali 2D, devono essere integrati nei flussi di produzione dei semiconduttori esistenti, richiede un processo compatibile con CMOS per la crescita, il trasferimento e la modellazione di film 2D. Numerosi gruppi di ricerca stanno lavorando sulla crescita diretta dei wafer di silicio, sui processi di trasferimento utilizzando temperature compatibili con il back-end-of-line (BEOL) e sull'integrazione monolitica con i circuiti fotonici in silicio.

Outlook commerciale

[LT] è utilizzato in inchiostri conduttivi, immagazzinamento di energia e materiali compositi. MoS2 e WS2 sono esplorati per i display di smartphone di nuova generazione e sensori flessibili. Il mercato dei fotonici è previsto per adottare fotodetectori e modulatori 2D nei data center e nei sistemi LiDAR nel prossimo decennio.

Conclusioni

I materiali 2D hanno sbloccato un nuovo spazio di progettazione per dispositivi elettronici e fotonici che sfruttano lo spessore della scala atomica, la mobilità dei vettori eccezionale e la forte interazione della luce-materia. Dai transistor ultra-scalati e dall'elettronica flessibile ai fotodetectori e all'optoelettronica quantistica, questi materiali consentono ai ricercatori che non sono possibili con i semiconduttori convenzionali.