din
Transparența optică a materialelor noi poate permite o electronică futuristă, flexibilă și transparentă. Credit: Universitatea RMIT
Umple un decalaj crucial în spectrul de materiale
Un nou studiu, săptămâna aceasta, ar putea deschide calea pentru generația următoare, electronică transparentă.
Astfel de dispozitive transparente pot fi integrate în sticlă, ecrane flexibile și lentile de contact inteligente, dând viață dispozitivelor futuriste care arată ca produsul science fiction.
De câteva decenii, cercetătorii au căutat o nouă clasă de electronică bazată pe oxizi semiconductori, a căror transparență optică ar putea permite acestor electronice să fie complet transparente.
Dispozitivele pe bază de oxid pot fi utilizate în electronica de putere și în tehnologia de comunicații, reducând amprenta de carbon în rețelele noastre de utilități.
O echipă condusă de RMIT a introdus acum beta-teluritul ultra-subțire în familia materialelor semiconductoare bidimensionale (2D), oferind un răspuns la această căutare de zeci de ani pentru un oxid de tip p cu mobilitate ridicată.
„Acest nou oxid de tip p cu mobilitate ridicată umple un gol de bază din spectrul materialului pentru a permite circuite rapide și transparente”, spune liderul echipei Dr. Torben Daeneke, care a condus colaborarea pe cele trei noduri FLEET.
Alte avantaje majore necesare pentru semiconductorii pe bază de oxid sunt durabilitatea lor în aer, cerințe de puritate mai puțin stricte, costuri reduse și depozitare ușoară.
„Anterior, veriga lipsă era găsirea abordării corecte,„ pozitive ”, spune Torben.
Pozitivitatea a lipsit
Există două tipuri de materiale semiconductoare. Materialele „tip N” au electroni abundenți încărcați negativ, în timp ce semiconductorii „tip p” au o mulțime de găuri încărcate pozitiv.
Agregarea materialelor complementare de tip n și tip p permite dispozitivele electronice precum diode, redresoare și circuite logice.
Un amestec topit de telur și seleniu acoperit pe o suprafață depune o foaie atomică subțire de beta-telur. Credit: FLOTĂ
Viața modernă depinde în mod critic de aceste materiale, deoarece acestea sunt elementele de bază ale oricărui computer și smartphone.
Un dezavantaj al echipamentelor de oxid a fost că, deși sunt cunoscuți mulți oxizi de înaltă performanță de tip n, există o lipsă considerabilă de oxizi de tip p de înaltă calitate.
Teoria face acțiune
Cu toate acestea, în 2018, un studiu de calcul a constatat că beta-teluritul (β-TeO2) poate fi un candidat atractiv pentru oxidul de tip p, cu locul specific al telurului în tabelul periodic, ceea ce înseamnă că se poate comporta ca un metal, precum și ca un nemetalică, oferind oxidului cu proprietăți utile în mod unic.
„Această prognoză a încurajat grupul nostru de la Universitatea RMIT să exploreze caracteristicile și aplicațiile sale”, spune Dr. Torben Daeneke, care este asociat al anchetatorilor FLOTEI.
Metal lichid – cale pentru explorarea materialelor 2D
Echipa Dr. Daeneke a demonstrat izolarea beta-teluritului cu o tehnică de sinteză special dezvoltată, care se bazează pe chimia metalelor lichide.
„Un amestec topit de telur (Te) și seleniu (Se) este pregătit și lăsat să se rostogolească pe o suprafață”, explică primul autor Patjaree Aukarasereenont.
„Datorită oxigenului din aerul ambiant, punctul topit formează în mod natural un strat subțire de oxid de suprafață beta-telurit. Pe măsură ce picăturile de lichid se rotesc pe suprafață, acest strat de oxid aderă la acesta, depunând foi de oxid subțiri atomic. ”
„Procesul este similar cu desenul: folosiți o tijă de sticlă ca stilou și metalul lichid este cerneala dvs.”, explică doamna Aukarasereenont, care este doctorand la RMIT.
Echipa RMIT din stânga, Ali Zavabeti, Patjaree Aukarasereenont și Torben Daeneke cu electronică transparentă. Credit: FLOTĂ
Deoarece faza β dorită a teluritului crește sub 300 ° C, telurul pur are un punct de topire ridicat, peste 500 ° C. Prin urmare, s-a adăugat seleniu pentru a forma un aliaj având un punct de topire mai scăzut, permițând sinteza.
„Foile ultra-subțiri pe care le-am obținut au o grosime de doar 1,5 nanometri – corespunzând doar câtorva atomi. Materialul a fost foarte transparent pe tot spectrul vizibil, având o bandă de 3,7 eV ceea ce înseamnă că sunt în esență invizibile pentru ochiul uman ”, explică co-autorul Dr. Ali Zavabeti.
Evaluare beta-telur: de până la 100 de ori mai rapidă
Pentru a evalua proprietățile electronice ale materialelor dezvoltate, au fost fabricate tranzistoare cu efect de câmp (FET).
Aceste dispozitive au prezentat întreruperi caracteristice de tip p, precum și mobilitate ridicată a găurilor (aproximativ 140 cm2V-1s-1), ceea ce indică faptul că beta-teluritul este de zece până la o sută de ori mai rapid decât semiconductorii de oxid de tip p. Raportul excelent de pornire / oprire (peste 106) dovedește, de asemenea, că materialul este potrivit pentru aparatele cu eficiență energetică rapidă “, a declarat doamna Patjaree Aukarasereenont.
„Descoperirile reduc un decalaj substanțial în biblioteca de materiale electronice”, a spus Dr. Ali Zavabeti.
„Avem la dispoziție un semiconductor rapid, transparent, de tip p, care are potențialul de a revoluționa electronica transparentă, permițând în același timp afișaje mai bune și dispozitive îmbunătățite cu consum redus de energie.”
Echipa intenționează să exploreze în continuare potențialul acestui nou semiconductor. „Investigațiile noastre ulterioare despre acest material interesant vor examina integrarea în electronice de consum existente și de generația următoare”, spune Dr. Torben Daeneke.
Referință: “Semiconductor β-TeO2 cu mobilitate ridicată semiconductor de tip p” 5 aprilie 2021, Electronica naturii.
DOI: 10.1038 / s41928-021-00561-5
Cercetătorii FLOTEI de la RMIT, ANU și UNSW au colaborat cu colegi de la Universitatea Deakin și Universitatea din Melbourne. Flota lui Matthias Wurdack (ANU) a efectuat experimente de transfer de nanoșe 2D în timp ce Kourosh Kalantar-zadeh (UNSW) a asistat în analiza caracteristicilor materialului și echipamentelor.
Acest proiect a fost susținut de Consiliul de cercetare australian (Centrul de excelență și programele DECRA), autorii recunosc, de asemenea, sprijinul de la RMIT University of Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF), RMIT University și MicroNano Facility Research (MNRF) și finanțarea primită prin intermediul post-doctoratului McKenz program de burse de burse de la Universitatea din Melbourne.