A kutatók új, fém interkalációs oxidációs technológiát hoztak létre a zafírkristály dielektrikumok számára. Az egyedi oxidációs módszerrel szobahőmérsékleten stabil, hihetetlenül vékony - mindössze 1,25 nanométer vastag - alumínium-oxid réteget képzett az egykristályos alumínium felületén. Az újszerű anyag alacsony kapuszivárgást és határfelületi állapotsűrűséget, illetve nagy dielektromos szilárdságot kínál. A kutatók reményei szerint az eljárás nagymértékben javíthatja az energiahatékonyságot, aminek fontos következményei lennének az okostelefonok akkumulátorának élettartamának meghosszabbítása szempontjából.
Mivel a szilíciumos tranzisztorok (FET-ek) alighanem elérték a miniatürizálás korlátait, új anyagokra van szükség a továbbfejlesztésükhöz. A jó minőségű dielektromos anyagok hiánya azonban akadályozza a 2D FET-ekben rejlő teljes potenciál kiaknázását. Az általános amorf oxid dielektrikumok, mint a SiO2, az Al2O3 és a HfO2 nem képesek sima határfelületeket létrehozni a 2D anyagokkal, ami magas kapuszivárgáshoz (áramveszteséghez) és alacsony dielektromos szilárdsághoz vezet.
A kutatók szerint a kristályos dielektrikumok, például a hexagonális bór-nitrid (hBN) és a kalcium-fluorid (CaF2) ugyan simább határfelületeket kínálnak, de még mindig olyan kihívásokkal szembesülnek, mint a magas szivárgási áramok és az atomi vastagságra való lekicsinyítés nehézségei. Leginkább az atomvékony fémoxidok bizonyultak ígéretesnek egyedi tulajdonságaik miatt. Ezek az anyagok könnyen kialakíthatók fémfelületeken, megfelelő dielektromos tulajdonságokat és sík felületeket biztosítanak, amelyek potenciálisan leküzdhetik a 2D FET-ek áramkorlátozásait.
Az egykristályos alumínium-oxidon (c-Al2O3) alapuló 2D FET elektronikus tulajdonságainak vizsgálatára a kutatók 2 nanométer vastag c-Al2O3 réteg felhasználásával önbeálló MoS2 FET-et hoztak létre. Minden FET egy 100 mikrométer széles és 250 nanométer hosszú alumíniumkapuval rendelkezik. Az arany és az alumínium kapuk között egy apró légrés biztosítja a teljes szigetelést. A csatorna hossza 300 nanométer.
A gyártási folyamat a van der Waals (vdW) átviteli módszert alkalmazza a forrás-, csatorna-, dielektrikum- és kapuanyagok összehangolásához egy grafén ostyán, mielőtt a teljes FET-köteget egyetlen lépésben átviszik a csatorna anyagára. Az eljárás eredményeként kiváló érintkezési és dielektromos határfelületekkel rendelkező 2D FET jön létre. A MoS2 FET kimeneti és átviteli jellemzői ígéretes áramszabályozást és telítést mutatnak, a küszöbérték alatti tartományban meredeken növekvő lefolyóárammal.
Az áttörés az egykristályos oxidok sokféleségének, skálázhatóságának és gyárthatóságának további fejlesztéséhez szolgál majd alapként, megkönnyítve a 2D félvezetők zökkenőmentes átmenetét a laboratóriumokból az ipari környezetbe.
Forrás: Interesting Engineering
A borítókép illusztráció, forrás: Adobe Stock
