Новое исследование, опубликованное на этой неделе, может проложить путь к революционной прозрачной электронике. Такие прозрачные устройства потенциально могут быть встроены в стекло, в гибкие дисплеи и в умные контактные линзы, что позволит воплотить в жизнь футуристические устройства, которые кажутся продуктом научной фантастики.

В течение нескольких десятилетий исследователи искали новый класс электроники на основе полупроводниковых оксидов, оптическая прозрачность которых могла бы позволить использовать эту полностью прозрачную электронику. Устройства на основе оксидов также могут найти применение в силовой электронике и коммуникационных технологиях, уменьшая углеродный след наших инженерных сетей.

Команда под руководством RMIT представила сверхтонкий бета-теллурит в семействе двумерных (2D) полупроводниковых материалов, что дает ответ на этот многолетний поиск высокоподвижного оксида p-типа.

«Этот новый высокоподвижный оксид p-типа заполняет решающий пробел в спектре материалов, обеспечивая быстрые и прозрачные схемы», — говорит руководитель группы д-р Торбен Даенеке, руководивший совместной работой по трем узлам FLEET.

Другими ключевыми преимуществами давно востребованных полупроводников на основе оксидов являются их стабильность на воздухе, менее строгие требования к чистоте, низкая стоимость и простота осаждения.

«В нашем продвижении отсутствующим звеном был поиск правильного, «позитивного» подхода», — говорит Торбен.

Позитивности не хватало

Есть два типа полупроводниковых материалов. Материалы «N-типа» содержат большое количество отрицательно заряженных электронов, в то время как полупроводники «p-типа» содержат множество положительно заряженных.

Это объединение дополнительных материалов n-типа и p-типа, которое позволяет создавать электронные устройства, такие как диоды, выпрямители и логические схемы. Современная жизнь критически зависит от этих материалов, поскольку они являются строительными блоками каждого компьютера и смартфона. Препятствием для оксидных устройств было то, что, хотя известно много высокоэффективных оксидов n-типа, существует значительный недостаток высококачественных оксидов p-типа.

Теория побуждает к действию

Однако в 2018 году вычислительное исследование показало, что бета-теллурит (? -TeO2) может быть привлекательным кандидатом в оксид p-типа, поскольку особое место теллура в периодической таблице означает, что он может вести себя как металл, так и неметалл, обеспечивая его оксид с уникальными полезными свойствами.

«Это предсказание побудило нашу группу из Университета RMIT изучить его свойства и приложения», — говорит д-р Торбен Даенеке, младший исследователь ФЛОТА.

Жидкий металл — путь к изучению 2D-материалов

Команда доктора Даенеке продемонстрировала выделение бета-теллурита с помощью специально разработанной технологии синтеза, основанной на химии жидких металлов.

«Готовится расплавленная смесь теллура (Te) и селена (Se), и ей дают катиться по поверхности», — объясняет соавтор исследования Патджари Аукарасеринонт. «Благодаря кислороду в окружающем воздухе, расплавленная капля естественным образом образует тонкий поверхностный оксидный слой бета-теллурита. Когда жидкая капля катится по поверхности, этот оксидный слой прилипает к ней, осаждая на своем пути атомарно тонкие листы оксида».

«Процесс похож на рисование: вы используете стеклянный стержень в качестве ручки, а жидкий металл — это ваши чернила», — объясняет г-жа Аукарасеринонт, аспирантка FLEET в RMIT.

В то время как необходимая фаза плавления теллурита не должна была превышать 300 C, чистый теллур имеет высокую температуру плавления, выше 500 C, из-за чего селен был добавлен для создания сплава с более низкой температурой плавления, что сделало возможным синтез.

«Ультратонкие листы, которые мы получили, имеют толщину всего 1,5 нанометра, что соответствует всего нескольким атомам. Материал был очень прозрачным в видимом спектре с шириной запрещенной зоны 3,7 эВ, что означает, что они практически невидимы для человеческого глаза», — объясняет соавтор. автор доктор Али Завабети.

Оценка бета-теллурита: до 100 раз быстрее

Для оценки электронных свойств разработанных материалов были изготовлены полевые транзисторы (FET).

«Эти устройства продемонстрировали характерное переключение p-типа, а также высокую подвижность дырок (примерно 140 см2В-1с-1), показывая, что бета-теллурит в десять-сто раз быстрее, чем существующие оксидные полупроводники p-типа. Коэффициент выключения (более 106) также свидетельствует о том, что этот материал подходит для энергоэффективных и быстрых устройств», — сказала г-жа Патджари Аукарасеринонт.

«Полученные данные закрывают серьезный пробел в электронной библиотеке материалов», — сказал д-р Али Завабети.

«Наличие в нашем распоряжении быстрого прозрачного полупроводника p-типа может произвести революцию в прозрачной электронике, а также обеспечить более качественные дисплеи и улучшенные энергоэффективные устройства».

Команда планирует продолжить изучение потенциала этого нового полупроводника. «Наши дальнейшие исследования этого захватывающего материала будут посвящены интеграции в существующую бытовую электронику и следующее поколение», — говорит д-р Торбен Даенеке.