Молибденит лучше кремния и графена для производства транзисторов

С помощью нового материала, исследованного в Швейцарии и получившего название молибденит, могут быть созданы еще более миниатюрные и энергоэффективные электронные чипы. 30 января ученые из лаборатории наноразмерной электроники и структур политехнической школы в Лозанне (EFPL) опубликовали в журнале Nature

Nanotechnology исследование, показывающее, что этот материал имеет явные преимущества по сравнению с традиционными кремнием и графеном при использовании его в электронике.

Открытие, сделанное в EFPL, может сыграть важную роль в области электроники, что позволит создавать более энергоэффективные транзисторы гораздо меньшего размера, чем сейчас.

Молибденит – довольно распространенный минерал, сульфид молибдена MoS2 – обычно используется как компонент смазок. Монослои MoS2 в экспериментах демонстрировали запрещенную зону шириной в 1.8 эВ, однако зарегистрированная подвижность носителей заряда (0.5…3.0 см2·В–1·с–1) оказалась слишком мала для применения в электронике.

В своем транзисторе авторы использовали в качестве диэлектрика затвора оксид гафния HfO2, который имеет высокое значение диэлектрической проницаемости. Опыты показали, что при комнатной температуре подвижность носителей поднимается как минимум до 200 см2·В–1·с–1, что сравнимо с показателями графеновых нанолент. Измеренное отношение токов в открытом и закрытом состоянии составило около 108.

«Это двумерный материал, очень тонкий и простой в использовании применительно к области нанотехнологий. Он обладает реальным потенциалом в области изготовления очень маленьких транзисторов, светодиодов (LED) и солнечных батарей», — рассказал профессор EFPL Андрас Кис, который не без помощи коллег по лаборатории проделал большую работу и осуществил это исследование. Он сравнивает преимущества молибденита с кремнием, который в настоящее время является основным компонентом, используемым в производстве электронных и компьютерных чипов, и графеном, открытым в 2004 году двумя физиками Университета Манчестера – Андре Геймом и Константином Новоселовым, за что были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.

Одним из преимуществ молибденита является то, что он мене объемный чем кремний, который является трехмерным материалом. В листе молибденита толщиной 0,65 нанометра электроны могут перемещаться так же легко, как в листе кремния двухнанометровой толщины», объясняет Кис. «В то же время сейчас невозможно изготовить лист кремния толщиной с монослой молибденита».
Еще одно преимущество нового материала – возможность изготавливать транзисторы, которые потребляют в 100 000 раз меньше энергии в режиме ожидания, чем традиционные кремниевые транзисторы. Наличие в молибдените «запрещенной зоны» (gap) шириной 1,8 эВ делает его практически идеальным полупроводником.

Зонная теория в физике твердого тела – это квантомеханическая теория движения электронов в различных материалах. В полупроводниках, пространства, свободные от электронов, называются «запрещенными зонами». Если эта зона не является слишком маленькой или слишком большой, некоторые электроны могут перейти через нее. Таким образом, возможен более высокий уровень контроля за электрическим поведением материала.

Существование «запрещенной зоны» в молибдените дает ему преимущество перед графеном. Этот «полуметалл», рассматриваемый в настоящее время многими учеными как материал будущего, не имеет таких зон, и их очень трудно воспроизвести искусственным образом.

Наночастицы золота значительно улучшают электрические характеристики дисульфида молибдена — перспективного «двумерного» материала.

8 сентября 2013

Графен уже почти на протяжении десятилетия наслаждается вниманием исследователей со всего мира, тогда как его «двумерный» соперник толщиной в три атома — дисульфид молибдена — оказался на пике славы относительно недавно. С тех пор как исследователи из EPFL (Федеральной политехнической школы Лозанны) показали, что дисульфид молибдена может быть использован в качестве замены кремния в транзисторах, он занял особую нишу среди конкурирующих «двумерных» материалов, число которых непрерывно растет: исследователи предрекают MoS2 яркое будущее как в качестве самостоятельной основы для наносхем нового поколения, так и в качестве «напарника» графена в этой области.

Исследователи из Университета штата Канзас (США) улучшили свойства этого перспективного материала, скомбинировав его с наночастицами золота. Команда под руководством профессора Викаса Берри обнаружила, что сера, входящая в состав дисульфида молибдена, способна образовывать прочные связи с благородными металлами, в том числе золотом, создавая своего рода затворные конденсаторы. Манипулируя свойствами дисульфида молибдена с помощью наночастиц золота, можно улучшить характеристики транзисторов, изготовленных на основе этого материала.

«Исследование прокладывает путь для создания нового поколения электронных и фотонных устройств, — говорит Берри. — Например, наночастицы золота способны помочь запустить поверхностные плазмоны в ультратонких материалах, создавая условия для работы плазмонных логических элементов». А продолжающиеся в настоящее время разработки туннельных транзисторов на основе графена и дисульфида молибдена могут использовать наночастицы золота для непосредственного подсоединения проводников к поверхности MoS2. Включение золота в дисульфид молибдена дает возможность создать новые транзисторы, биохимические сенсоры, плазмонные устройства и каталитические подложки.

Исследование, проведенное специалистами материаловедения и нанотехнологий Университета Пенсильвании (Penn State), позволило найти несложный метод получения дисульфида молибдена, обеспечивающий контроль за размером, толщиной и местоположением выращиваемых фрагментов этого материала.

Их статья, подготовленная в сотрудничестве с южнокорейским университетом Сонгюнгван, опубликована в Nature Communications.

В отличие от графена, двумерный дисульфид молибдена имеет естественную запрещенную зону, то есть его проводимость можно включать и выключать. Другим его преимуществом является способность испускать свет, открывающая для конкурента графена приложения оптоэлектроники.

До сих пор небольших чешуйки двумерного дисульфида молибдена получали подобно графену: сначала — отслаиванием от объемного материала, позднее — химическим осаждением разогретых паров молибдена и серы.

Оба этих способа давали плохо предсказуемые результаты. Как рассказывают авторы статьи, приходилось целыми днями охотиться за образцом подходящих размеров, чтобы произвести одно-единственное измерение.

Находкой команды Penn State стало управление химическим осаждением путем введения на подложку зародыша — небольшого фрагмента оксида молибдена, служащего центром реакции по образованию MoS2 и его кристаллизации.

«Мы выращиваем его там, где нужно, и это упрощает изготовление устройств, — рассказывает профессор Чарли Джонсон (Charlie Johnson). — Все остальные детали транзисторов находятся в отдельном слое, который мы накладываем на эти чешуйки, получая за один раз десятки, а в перспективе, сотни устройств».

Авторам уже удалось с помощью нового метода изготовить транзисторы и светодиоды, которые функционировали должным образом.

Возможность комбинировать фрагменты дисульфида молибдена с сопутствующей электроникой позволяет обойти проблемный этап, который присутствует при изготовлении устройств из графена. Этот материал сначала выращивают в больших листах, а затем разрезают до нужных размеров, что часто вносит загрязнения, мешающее работе электроники.

Предложенная технология также открывает путь изготовления новых семейств двумерных материалов, заменяя молибден вольфрамом, серу — селеном и так далее, вниз по периодической таблице.