La création d'ondulations dans un matériau 2D, le disulfure de molybdène, s'est avérée augmenter la mobilité des porteurs de deux ordres à température ambiante, permettant aux électrons de se déplacer plus rapidement à travers le matériau. Crédit :Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux d'A*STAR
Les semi-conducteurs bidimensionnels (2D) ont une propriété unique qui permet de réduire leur épaisseur à un ou quelques atomes - et cette propriété pourrait potentiellement minimiser les effets de canal court qui restent un problème dans les transistors avancés à base de silicium, par exemple, allumer un transistor prématurément.
Malgré le potentiel que possèdent les semi-conducteurs 2D pour remplacer à l'avenir les matériaux semi-conducteurs conventionnels comme le silicium, un défi majeur demeure :leur faible mobilité des porteurs à température ambiante, causée par une forte diffusion entre les électrons et les phonons.
Les conditions routières et de circulation déterminent le temps et l'énergie qu'une personne consacre à se déplacer d'un endroit à un autre. De la même manière, la mobilité des porteurs mesure la vitesse à laquelle un porteur, tel qu'un électron ou un trou, peut se déplacer à travers un matériau lorsqu'il existe un champ électrique. Cette caractéristique détermine également si un matériau semi-conducteur convient aux appareils électroniques.
Une mobilité élevée des porteuses peut réduire efficacement la dissipation de puissance dans les circuits intégrés et réduire la consommation électrique globale, prolongeant ainsi la durée de vie des appareils ou systèmes électriques, ainsi que les coûts de fonctionnement de ces appareils ou systèmes.
Des chercheurs de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux (IMRE) de l'Agence pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR), de l'Université Fudan, de l'Université nationale de Singapour et de l'Université polytechnique de Hong Kong ont récemment découvert que placer des matériaux 2D sur des substrats avec des morphologies bombées peut améliorer la mobilité des porteurs à température ambiante de deux ordres. Ces renflements créent des ondulations dans le matériau, déformant ainsi sa structure en treillis, déplaçant un ou plusieurs atomes de leur position d'origine dans une structure idéale.
Cette approche contraste avec les stratégies conventionnelles qui reposent sur des structures de réseau parfaites pour améliorer la mobilité des porteurs, car toute forme d'impureté ou de distorsion du réseau est considérée comme ayant un effet négatif sur la mobilité.
Dans une étude publiée dans Nature Electronics en juin 2022, des chercheurs ont observé que le disulfure de molybdène 2D ondulé (MoS2 ) avec des distorsions de réseau créent une polarisation électrique plus importante qui peut renormaliser la fréquence des phonons. Cette fréquence de phonon renormalisée réduit efficacement la force de diffusion entre les électrons et les phonons, augmentant ainsi la mobilité des porteurs dans MoS2 . Cela signifie que les électrons peuvent désormais se déplacer plus rapidement à travers le matériau.
Les résultats de l'étude montrent que la mobilité des porteurs à température ambiante est améliorée par deux ordres de MoS ondulé2 , atteignant environ 900 cm 2 V -1 s -1 . Le résultat observé dépasse la mobilité de porteur prédite limitée par les phonons du MoS plat2 de 200 à 410 cm 2 V -1 s -1 .
Grâce à l'étude, création de renflements dans la structure en treillis de MoS2 a été trouvé pour surmonter la limite intrinsèque de mobilité des porteurs du matériau. Cela ouvre la voie à MoS2 et d'autres matériaux 2D à utiliser pour créer des transistors à effet de champ et des dispositifs thermoélectriques avec des performances compétitives à température ambiante.
« Notre approche est simple et rentable, démontrant l'ingénierie des réseaux comme une stratégie efficace pour créer des dispositifs électroniques et thermoélectriques à température ambiante hautes performances pour l'électronique future », a déclaré le Dr Wu Jing, scientifique à l'IMRE d'A*STAR.
"Nous révélons en outre le mécanisme sous-jacent selon lequel l'amélioration de la mobilité des porteurs est due à la suppression de la diffusion électron-phonon et à l'augmentation de la constante diélectrique intrinsèque induite par les structures ondulées dans le semi-conducteur 2D. Les deux jouent des effets synergiques pour stimuler la mobilité intrinsèque des porteurs", a déclaré le Dr Yang Ming, professeur adjoint au Département de physique appliquée de l'Université polytechnique de Hong Kong. Utilisation des distorsions de réseau pour améliorer la mobilité des porteurs dans les semi-conducteurs 2D
