Двумерные (2D) материалы стали одним из самых преобразующих классов материалов в современной физике конденсированных материалов и материаловедении. Эти атомарно тонкие кристаллы, которые могут быть толщиной всего в один монослой, демонстрируют физические свойства, которые поразительно отличаются от их объемных аналогов. Изоляция графена в 2004 году Новоселовым и Геймом воспламенила глобальные исследования, показав, что двумерные кристаллы могут быть стабильными в условиях окружающей среды и обладать экстраординарными электронными, оптическими и механическими характеристиками. С тех пор семейство 2D-материалов выросло, чтобы включать дихалькогениды переходных металлов (TMD), гексагональный нитрид бора (hBN), черный фосфор и множество других слоистых соединений. Уникальное сочетание толщины атомного масштаба, гибкости, сильного взаимодействия света и высокой мобильности носителя делает 2D-материалы уникальным образом подходящими для электронных и фотонных устройств следующего поколения, которые требуют миниатюризации, низкого энергопотребления и механической конформности.

Что такое 2D материалы?

2D-материалы представляют собой кристаллические твердые тела, которые состоят из одного слоя или нескольких атомных слоев, с внеплановым измерением, ограниченным нанометровой или субнанометровой шкалой. Наиболее известный пример, графен , представляет собой монослой атомов углерода, расположенных в сотовой решетке. Его высокая электрическая проводимость, механическая прочность (самый сильный материал, когда-либо измеренный) и исключительная теплопроводность устанавливают эталон для 2D-материалов. Однако графен не имеет бандгапа, который ограничивает его использование в цифровых логических транзисторах, где большое соотношение включения/выключения имеет важное значение. Это ограничение побудило исследование других 2D-материалов, таких как переходные металлические дихалкогениды (TMD, например, MoS2, WS2, MoSe2). TMDs обладают прямым бандгапом в видимом для ближнего инфракрасного диапазона при разжижении до монослоя, что делает

Ключевые свойства Driveing Device Performance

Привлекательность 2D-материалов заключается в их крайней анизотропии: электроны и фотоны сильно взаимодействуют в плоскости, в то время как межслойная связь слаба. Это приводит к набору свойств, которые трудно достичь одновременно в традиционных полупроводниках:

  • Высокая подвижность несущих: Графен проявляет подвижность электронов более 200 000 см2/В·с при низких температурах, в то время как TMD, такие как MoS2, могут достигать подвижности выше 100 см2/В·с в монослойной форме.
  • Механическая гибкость и растяжимость: Монослойные 2D-материалы могут выдерживать радиусы изгиба нескольких микрон без разрушения, что позволяет полностью гибкие электронные и фотонные устройства.
  • Сильное взаимодействие света и материи: Несмотря на то, что 2D-полупроводники атомарно тонкие, поглощают до 10% падающего света на монослой, что является следствием высокой прочности осциллятора и плотной энергии связывания экситонов.
  • Настраиваемая электронная структура: Перерыв в полосе TMD и черного фосфора изменяется с толщиной (из-за квантового ограничения) и может быть дополнительно модулирован деформацией, электрическими полями или химическим допингом.
  • Электростатическое управление: Ультратонкий канал позволяет резко электростатическому затвору, позволяя транзисторам работать при низких напряжениях с высокими подпороговыми наклонами.

Эти свойства делают 2D-материалы привлекательными для приложений, которые выходят за рамки возможностей кремния и соединений III-V, особенно в сценариях, где важна тонкость, гибкость или низкое напряжение.

Электронные приложения 2D материалов

Наиболее непосредственное электронное применение 2D-материалов осуществляется в полевых транзисторах (FETs). Поскольку канал может иметь толщину всего лишь одного атомного слоя, затвор теряет электростатический контроль над всем каналом, что позволяет агрессивно масштабировать размеры транзистора при сохранении низкого тока в несостоянии. Это особенно перспективно для ультрамасштабных узлов (под-5 нм), где кремний страдает от тяжелых короткоканальных эффектов. Многие прототипные транзисторы с использованием MoS2, WS2 или черного фосфора продемонстрировали соотношения включения/выключения, превышающие 108, и подпороговые колебания, близкие к теоретическому пределу 60 мВ/десятилетие.

Ультрамасштабируемые транзисторы и логические схемы

Исследователи успешно изготовили транзисторы с длиной канала ниже 10 нм с использованием MoS2 и углеродных нанотрубок, достигая производительности, которая конкурирует или превосходит обычные кремниевые устройства. Атомная гладкость 2D поверхностей уменьшает рассеяние носителей, а отсутствие свисающих связей минимизирует состояния ловушки на канале/диэлектрическом интерфейсе. Более того, механическая гибкость 2D-материалов позволяет интегрировать эти транзисторы на пластиковые подложки, открывая дверь для сгибаемой электроники. Например, массивы MoS2 FET на полиимиде использовались для создания гибких инверторов, логических затворов и кольцевых осцилляторов, которые сохраняют функциональность при изгибе до радиусов в несколько миллиметров.

Одной из ключевых проблем в 2D транзисторах является формирование электрических контактов с низкой устойчивостью. Барьер Шоттки на интерфейсе металл-полупроводник может доминировать в поведении устройства, особенно для TMD. Недавние достижения включают использование графеновых межслоев, краевых контактов и фазово-инженерных металлических контактов (например, 1T-фаза MoS2) для достижения контактных сопротивлений ниже 100 Ω·μm. Эти подходы позволяют достичь рекордно высоких плотностей тока и значений транспроводимости.

Гибкая электроника и носимые датчики

2D-материалы идеально подходят для гибких и носимых устройств, поскольку они могут быть нанесены на полимеры, бумагу или текстиль путем механического отшелушивания, химического осаждения паров (CVD) или печати на основе раствора. Были продемонстрированы гибкие транзисторы, фотоприемники, датчики деформации и биосенсоры. Например, показаны сенсорные мембраны на основе графена и устанавливаемые на кожу мониторы, которые отслеживают импульс или дыхание. Датчики давления на основе TMD могут достигать высокой чувствительности с быстрым временем отклика. Сочетание тонкости, прозрачности и механической долговечности делает 2D-материалы кандидатами для дисплеев следующего поколения, умных очков и медицинских патчей, которые должны соответствовать контурам тела.

Низкая мощность и нейроморфные вычисления

Помимо классической цифровой логики, 2D-материалы исследуются для маломощных аналоговых вычислений и нейроморфных архитектур. Их атомарно тонкие каналы и сильное электростатическое управление делают их пригодными для транзисторов с крутой спиралью (например, туннельных FET и отрицательной емкостью FET), которые могут работать при суб-60 мВ/десятилетие. Кроме того, мемристивное поведение, наблюдаемое в некоторых 2D-материалах (включая hBN и MoS2), позволяет создавать искусственные синапсы и нейроны для нейроморфных схем. Эти устройства могут эмулировать синаптические веса и зависящую от импульса пластичность, что потенциально приводит к энергоэффективным вычислительным платформам, вдохновленным мозгом.

Фотонные приложения 2D-материалов

В фотонике сильное взаимодействие света и настраиваемые оптические свойства 2D-материалов позволяют устройствам, которые являются ультракомпактными, быстрыми и эффективными. Монослойные полупроводники, такие как MoS2 и WS2, имеют прямые полосы пропускания, которые охватывают видимый диапазон в ближнем инфракрасном диапазоне, а их экситоны - тесно связанные пары электрон-дырка - доминируют в оптическом ответе даже при комнатной температуре. Это богатство экситонных эффектов открывает новые парадигмы устройств, которые невозможны в обычных объемных полупроводниках.

Фотодетекторы и датчики изображений

2D-материальные фотоприемники могут быть спроектированы для широкополосной чувствительности (от ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазона) путем выбора материалов с соответствующими полосами пропускания или с использованием гетероструктур. Фотоприемники MoS2 могут достигать отзывчивости 103-105 A/W (при смещении) со временем отклика порядка микросекунд. Графеновые фотоприемники, при отсутствии полосы пропускания, демонстрируют ультраширокополосное поглощение и сверхбыстрый отклик (пикосекунды), подходящие для высокоскоростных каналов передачи данных. Особенно захватывающей разработкой является интеграция 2D-фотоприемников с кремниевыми фотомагнитоприемниками, что позволяет на чипе фотообнаружение на телекоммуникационных длинах волн с большой пропускной способностью. Также были продемонстрированы датчики изображения на основе CVD-выращенных массивов MoS2, прокладывающих путь для гибких и прозрачных камер.

Оптические модуляторы и коммутаторы

Электрооптические модуляторы преобразуют электрические сигналы в оптическую модуляцию и являются критическими компонентами для передачи данных. 2D-материалы могут достигать высокоскоростной модуляции, поскольку плотность их несущей и уровень Ферми могут быть быстро настроены приложенным напряжением затвора. Показано, что графические модуляторы работают на скоростях выше 50 ГГц с малыми отпечатками устройств. Модуляторы TMD, используя экситоновые эффекты, могут достигать сильной модуляции при более низких напряжениях привода. Кроме того, 2D-материалы могут использоваться для создания полностью оптических переключателей на основе экситонового отбеливания или насыщенного поглощения. Эти устройства необходимы для сверхбыстрых лазерных источников и фотонных схем.

Светоизлучающие устройства: светодиоды и лазеры

Электрически приводимое излучение света от монослойных TMD является сложным из-за их плохих омических контактов и низкой квантовой эффективности. Тем не менее, недавняя работа продемонстрировала светоизлучающие диоды (LED) на основе гетеропереходов MoS2 и WS2 (например, с hBN или WSe2) с излучением в красном и ближнем инфракрасном диапазоне. Квантовая эффективность остается скромной (1-5%), но неуклонно улучшается благодаря таким стратегиям, как инжиниринг заряда, размещение в оптических полости и использование усиления Purcell. Экситонная лазерная обработка из монослойного WS2 была достигнута в микрополостях при криогенных температурах, и сообщается о прогрессе в направлении непрерывной волновой работы при комнатной температуре. Кроме того, 2D-материалы обеспечивают гибкие и прозрачные источники света, которые могут быть интегрированы на изогнутые поверхности или встроены в дисплеи.

Гетероструктуры и гибридные устройства

Одной из самых мощных особенностей 2D-материалов является способность складывать различные слои вместе в атомном масштабе для формирования гетероструктур Ван-дер-Ваальса. Эти искусственные кристаллы могут объединять материалы с дополнительными свойствами - например, верхний слой графена для прозрачных электродов и монослой TMD в качестве активного оптоэлектронного слоя - без ограничений согласования решетки. Фотоэлектрические устройства, фотоприемники со встроенным усилением и светоизлучающие туннельные устройства были реализованы с использованием гетероструктур. Порядок укладки, угол поворота и межслойная связь обеспечивают дополнительные степени свободы для разработки поведения устройства, включая экситоны муара и коррелированные изоляционные состояния.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на огромные перспективы 2D-материалов, на пути к коммерческому развертыванию остаются несколько препятствий. Наиболее важным является крупномасштабный синтез с однородным качеством и контролируемой толщиной. В то время как механическое отшелушивание остается методом выбора для фундаментальных исследований, оно не масштабируемо. Осаждение химических паров (CVD) на каталитических подложках (например, медь для графена или сапфир для MoS2) сделало большие успехи, но полученные пленки часто содержат границы зерна, вакансии и загрязнения, которые ухудшают производительность устройства. Эпитаксиальный рост на изоляционных подложках исследуется, чтобы избежать стадии переноса, но качество подложки и ограниченный размер пластины остаются проблемами. Кроме того, многие 2D-материалы чувствительны к окружающему кислороду и влаге, требуя инкапсуляции с hBN или другими барьерами для обеспечения долгосрочной стабильности.

Контакты и диэлектрики

Качество металлических контактов и затворных диэлектриков остается основным узким местом производительности. Высота барьера Шоттки на металло-2D интерфейсах может быть уменьшена с помощью низкорабочих металлов, инертных графеновых контактов или фазово-инженерных металлических TMD. Однако воспроизводимость на больших площадях по-прежнему отсутствует. Высокок-диэлектрики, такие как HfO2 или Al2O3, должны быть осаждены без повреждения 2D-решетки. Осаждение атомного слоя с подходящими посевными слоями является распространенным подходом, но создание дефектов должно быть сведено к минимуму. Недавние исследования 2D-диэлектриков (таких как hBN и CaF2) предлагает многообещающий путь к более чистым интерфейсам.

Интеграция с кремниевыми технологиями

Для реализации полного воздействия 2D-материалов они должны быть интегрированы в существующие потоки производства полупроводников. Для этого требуется CMOS-совместимый процесс для роста больших площадей, переноса и узоров 2D-пленок. Многочисленные исследовательские группы работают над прямым ростом на кремниевых пластинах, процессами переноса с использованием совместимых с концевой линией (BEOL) температур и монолитной интеграцией с кремниевыми фотонными схемами. Цель состоит в том, чтобы объединить лучшее из обоих миров: зрелую инфраструктуру изготовления кремния и уникальные функциональные возможности 2D-материалов.

Коммерческий прогноз

Несколько компаний уже коммерциализируют 2D-материалы. Графен используется в проводящих чернилах, накопителях энергии и композитных материалах. MoS2 и WS2 исследуются для дисплеев смартфонов следующего поколения и гибких датчиков. Ожидается, что рынок фотоники примет 2D-фотоприемники и модуляторы в центрах обработки данных и системах LiDAR в течение следующего десятилетия. По мере решения проблем масштаба, стабильности и производства 2D-материалы, вероятно, преобразуют как электронную, так и фотонную промышленность устройств. Для получения более подробной информации читатели могут ознакомиться с авторитетными обзорами, такими как Природный обзор вехи на 2D-материалах , всеобъемлющий обзор физики устройств TMD или дорожная карта для интеграции 2D-материалов .

Заключение

2D-материалы открыли новое пространство для проектирования электронных и фотонных устройств, которые используют толщину атомного масштаба, исключительную мобильность носителей и сильное взаимодействие света с материей. От ультрамасштабных транзисторов и гибкой электроники до фотоприемников и квантовой оптоэлектроники, эти материалы позволяют создавать устройства, которые невозможны с обычными полупроводниками. В то время как значительные проблемы остаются в синтезе, контактной инженерии и стабильности, темпы прогресса замечательны. В предстоящем десятилетии, вероятно, будет наблюдаться созревание технологии 2D-материалов, с коммерческими продуктами, появляющимися в области зондирования, связи и вычислений. Для педагогов, исследователей и инженеров понимание этих материалов имеет важное значение для формирования следующего поколения технологий.