Двумерный полупроводник (также известный как 2D полупроводник ) — это тип естественного полупроводника с толщиной в атомном масштабе. Гейм и Новоселов и др. положили начало этой области в 2004 году, когда сообщили о новом полупроводниковом материале графене , плоском монослое атомов углерода, расположенных в 2D сотовой решетке . [1] Двумерный монослойный полупроводник важен, поскольку он демонстрирует более сильную пьезоэлектрическую связь, чем традиционно используемые объемные формы. Эта связь может обеспечить применение. [2] Одно из направлений исследований — разработка наноэлектронных компонентов с использованием графена в качестве электрического проводника , гексагонального нитрида бора в качестве электрического изолятора и дихалькогенида переходного металла в качестве полупроводника . [3] [4]
Материалы
Графен
Графен, состоящий из отдельных листов атомов углерода, имеет высокую подвижность электронов и высокую теплопроводность . Одной из проблем, связанных с графеном, является отсутствие у него запрещенной зоны , что создает проблему, в частности, для цифровой электроники, поскольку он не может выключать полевые транзисторы (FET). [3]
Гексагональный нитрид бора
Монослойный гексагональный нитрид бора (h-BN) является изолятором с большой энергетической щелью (5,97 эВ). [5] Однако он также может функционировать как полупроводник с повышенной проводимостью из-за его зигзагообразных острых краев и вакансий. h-BN часто используется в качестве подложки и барьера из-за его изолирующих свойств. h-BN также имеет большую теплопроводность.
Дихалькогениды переходных металлов
Монослои дихалькогенидов переходных металлов (TMD или TMDC) представляют собой класс двумерных материалов, имеющих химическую формулу MX 2 , где M представляет переходные металлы из групп IV, V и VI, а X представляет халькоген, такой как сера , селен или теллур . [6] MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 и WSe 2 являются TMDC. TMDC имеют слоистую структуру с плоскостью атомов металла между двумя плоскостями атомов халькогена, как показано на рисунке 1. Каждый слой прочно связан в плоскости, но слабо в промежуточных слоях. Поэтому TMDC можно легко расслаивать на атомарно тонкие слои различными методами. TMDC демонстрируют оптические и электрические свойства, зависящие от слоя. При расслоении на монослои запрещенные зоны нескольких TMDC изменяются с непрямых на прямые, [7], что приводит к широкому применению в наноэлектронике, [3] оптоэлектронике, [8] [9] и квантовых вычислениях . [10] Хотя расслоенные монослои TMDC демонстрируют многообещающие оптоэлектронные свойства, они часто ограничены внутренними и внешними дефектами, [11] такими как вакансии серы и границы зерен, которые могут отрицательно влиять на их производительность. Для решения этих проблем были разработаны различные методы химической пассивации, включая использование суперкислот и молекул тиола, [12] для улучшения их фотолюминесценции и свойств переноса заряда. Кроме того, фазовая [13] и деформационная инженерия [14] стали мощными стратегиями для дальнейшей оптимизации электронных характеристик TMDC, что делает их более подходящими для передовых приложений в наноэлектронике и квантовых вычислениях.
Халькогениды III-VI
Другой класс 2D-полупроводников — халькогениды III-VI. Эти материалы имеют химическую формулу MX, где M — металл из группы 13 ( Ga , In ), а X — атом халькогена ( S , Se , Te ). Типичными представителями этой группы являются InSe и GaSe , оба из которых показали высокую электронную подвижность и ширину запрещенной зоны, подходящую для широкого спектра электронных приложений. [15] [16]
Синтез
2D полупроводниковые материалы часто синтезируются с использованием метода химического осаждения из паровой фазы (CVD). Поскольку CVD может обеспечить крупномасштабный, высококачественный и хорошо контролируемый послойный рост 2D полупроводниковых материалов, он также позволяет синтезировать двумерные гетеропереходы . [17] При создании устройств путем укладки различных 2D материалов часто используется механическое отслаивание с последующим переносом. [4] [6] Другие возможные методы синтеза включают электрохимическое осаждение , [18] [19] химическое отслаивание, гидротермальный синтез и термическое разложение . В 2008 году квази-2D пластинки селенида кадмия CdSe были впервые синтезированы коллоидным методом с толщиной в несколько атомных слоев и латеральными размерами до десятков нанометров. [20] Модификация процедуры позволила получить другие наночастицы с различным составом (например, CdTe, [21] HgSe, [22] сплавы CdSe x S 1−x , [23] гетероструктуры ядро/оболочка [24] и ядро/корона [25] ) и формой (в виде свитков, [26] нанолент, [27] и т. д.).
Механическое поведение
Уникальные кристаллические структуры 2D-полупроводниковых материалов часто обеспечивают уникальные механические свойства, особенно в пределе монослоя, такие как высокая жесткость и прочность в 2D-атомной плоскости, но низкая жесткость на изгиб. [28] Тестирование этих материалов является более сложным, чем их объемных аналогов, с методами, использующими использование сканирующих зондовых методов, таких как атомно-силовая микроскопия (АСМ). Эти экспериментальные методы обычно выполняются на 2D-материалах, подвешенных над отверстиями в подложке. Затем наконечник АСМ используется для нажатия на чешуйку и измерения реакции материала. Из этого механические свойства, такие как модуль Юнга, деформация текучести и прочность на изгиб.
Графен
С модулем Юнга почти 1 ТПа [29] графен может похвастаться невероятной прочностью из-за прочности связи углерод-углерод. Однако графен имеет вязкость разрушения около 4 МПа/м, что делает его хрупким и легко растрескивающимся. [30] Позже та же группа, которая открыла его вязкость разрушения, показала, что графен обладает невероятными способностями к распределению, примерно в десять раз превышающими способность стали. [31]
Атомно-тонкий нитрид бора
Монослойный нитрид бора имеет прочность на излом и модуль Юнга 70,5 ГПа и 0,865 ТПа соответственно. Нитрид бора также сохраняет свой высокий модуль Юнга и прочность на излом с увеличением толщины. [32]
Дихалькогениды переходных металлов
Двумерные дихалькогениды переходных металлов часто используются в таких приложениях, как гибкая и растягиваемая электроника, где понимание их механических свойств и эксплуатационного воздействия механических изменений на материалы имеет первостепенное значение для производительности устройства. Под действием деформации TMD изменяют свою электронную структуру запрещенной зоны как прямого монослоя, так и непрямого монослоя, что указывает на приложенную деформацию как настраиваемый параметр. [33] Монослой MoS2 имеет модуль Юнга 270 ГПа и максимальную деформацию 10% до текучести. [34] Для сравнения, двухслойный MoS2 имеет модуль Юнга 200 ГПа, приписываемый межслоевому скольжению. [34] По мере дальнейшего увеличения числа слоев межслоевое скольжение затмевается жесткостью изгиба с модулем Юнга 330 ГПа. [35]
Предлагаемые приложения
Некоторые приложения включают электронные устройства, [37] фотонные и энергоаккумулирующие устройства, а также гибкие и прозрачные подложки. [3] Другие приложения включают квантовые вычислительные кубитные устройства [10] , солнечные элементы [38] и гибкую электронику. [6]
Квантовые вычисления
Теоретическая работа предсказала управление гибридизацией краев зон на некоторых гетероструктурах Ван-дер-Ваальса с помощью электрических полей и предложила его использование в квантовых битовых устройствах, рассматривая гетеробислои ZrSe 2 /SnSe 2 в качестве примера. [10] Дальнейшие экспериментальные работы подтвердили эти предсказания для случая гетеробислоя MoS 2 /WS 2. [39]
Магнитные НЭМС
Двумерные слоистые магнитные материалы являются привлекательными строительными блоками для наноэлектромеханических систем (НЭМС): хотя они разделяют высокую жесткость и прочность и малую массу с другими двумерными материалами, они магнитно активны. Среди большого класса недавно появившихся двумерных слоистых магнитных материалов особый интерес представляет малослойный CrI3, чье основное магнитное состояние состоит из антиферромагнитно связанных ферромагнитных (ФМ) монослоев с внеплоскостной легкой осью. Межслойное обменное взаимодействие относительно слабое, магнитное поле порядка 0,5 Тл в внеплоскостном (𝒛) направлении может вызвать спин-флип переход в двухслойном CrI3. Недавно были продемонстрированы замечательные явления и концепции устройств, основанные на обнаружении и управлении межслойным магнитным состоянием, включая гигантское магнитосопротивление спинового фильтра, магнитное переключение с помощью электрического поля или электростатического легирования и спиновые транзисторы. Однако связь между магнитными и механическими свойствами в атомарно тонких материалах, лежащая в основе двумерных магнитных НЭМС, остается неясной, хотя были изучены НЭМС, изготовленные из более толстых магнитных материалов или покрытые ФМ-металлами.
^ Сун, Сюфэн; Ху, Цзиньлянь; Цзэн, Хайбо (2013). «Двумерные полупроводники: недавний прогресс и будущие перспективы». Журнал химии материалов C. 1 ( 17): 2952. doi :10.1039/C3TC00710C.
^ Ithurria, Sandrine; Dubertret, Benoit (2008-12-10). «Квазидвумерные коллоидные пластинки CdSe с толщиной, контролируемой на атомном уровне». Журнал Американского химического общества . 130 (49): 16504–16505. doi :10.1021/ja807724e. ISSN 0002-7863. PMID 19554725.
^ Педетти, Сильвия; Надаль, Брайс; Люлье, Эммануэль; Малер, Бенуа; Буэ, Сесиль; Абекассис, Бенджамин; Сюй, Сянчжэнь; Дюбертрет, Бенуа (2013-06-25). «Оптимизированный синтез нанопластин CdTe и фотоответ пленок нанопластин CdTe». Химия материалов . 25 (12): 2455–2462. doi :10.1021/cm4006844. ISSN 0897-4756. S2CID 101411815.
^ Искьердо, Ева; Дюфур, Марион; Чу, Одри; Ливаш, Клеман; Мартинес, Бертилье; Амелот, Дилан; Патриарх Жиль; Леке, Николя; Люлье, Эммануэль; Итуррия, Сандрин (26 июня 2018 г.). «Связанные коллоидные квантовые ямы HgSe через настраиваемый барьер: стратегия разделения оптической и транспортной запрещенной зоны». Химия материалов . 30 (12): 4065–4072. doi : 10.1021/acs.chemmater.8b01028. ISSN 0897-4756. S2CID 103490948.
^ Fan, Fengjia; Kanjanaboos, Pongsakorn; Saravanapavanantham, Mayuran; Beauregard, Eric; Ingram, Grayson; Yassitepe, Emre; Adachi, Michael M.; Voznyy, Oleksandr; Johnston, Andrew K.; Walters, Grant; Kim, Gi-Hwan (2015-07-08). "Colloidal CdSe1–xSx Nanoplatelets with Narrow and Continuously-Tunable Electroluminescence". Nano Letters . 15 (7): 4611–4615. Bibcode : 2015NanoL..15.4611F. doi : 10.1021/acs.nanolett.5b01233. ISSN 1530-6984. PMID 26031416.
^ Малер, Бенуа; Надаль, Брайс; Буэ, Сесиль; Патриарх, Жиль; Дюбертрет, Бенуа (14.11.2012). «Core/Shell Colloidal Semiconductor Nanoplatelets». Журнал Американского химического общества . 134 (45): 18591–18598. doi :10.1021/ja307944d. ISSN 0002-7863. PMID 23057684.
^ Келестемур, Юсуф; Олютас, Мюрат; Деликанлы, Савас; Гузельтюрк, Бурак; Акгуль, Мехмет Зафер; Демир, Хильми Волкан (29 января 2015 г.). «Коллоидные квантовые ямы типа II: ядро CdSe/CdTe/крауновые гетеронанотромбоциты». Журнал физической химии C. 119 (4): 2177–2185. дои : 10.1021/jp510466k. hdl : 11693/23136 . ISSN 1932-7447.
^ Васильев, Роман Б.; Лазарева, Элизабет П.; Карлова, Дарья А.; Гаршев, Алексей В.; Яо, Юаньчжао; Курода, Такаши; Гаськов, Александр М.; Сакода, Казуаки (2018-03-13). "Спонтанное складывание нанолистов CdTe, вызванное обменом лигандов". Химия материалов . 30 (5): 1710–1717. doi :10.1021/acs.chemmater.7b05324. ISSN 0897-4756.
^ Дэн, Чжэнтао; Цао, Ди; Хэ, Цзинь; Линь, Су; Линдсей, Стюарт М.; Лю, Янь (2012-07-24). «Синтез раствора ультратонких монокристаллических нанолент SnS для фотодетекторов с помощью фазового перехода и обработки поверхности». ACS Nano . 6 (7): 6197–6207. doi :10.1021/nn302504p. ISSN 1936-0851. PMID 22738287.