Vật liệu bán dẫn hai chiều (2D) tỏ ra rất hứa hẹn cho sự phát triển của các thiết bị điện tử khác nhau, bao gồm cả thiết bị đeo được và các thiết bị điện tử nhỏ gọn hơn. Những vật liệu này có thể có những lợi thế đáng kể so với các vật liệu cồng kềnh của chúng, chẳng hạn như có thể duy trì khả năng di chuyển của vật mang bất kể độ dày giảm đi.

Nguồn: Nature Electronics

Bất chấp lời hứa cho việc tạo ra các thiết bị điện tử mỏng, cho đến nay, chất bán dẫn 2D hiếm khi được sử dụng để tạo ra bóng bán dẫn đơn lớp, phiên bản mỏng hơn cho các linh kiện điện tử quan trọng dùng để điều chế và khuếch đại dòng điện trong hầu hết các thiết bị hiện có. Đa số các bóng bán dẫn đơn lớp được đề xuất trên cơ sở chất bán dẫn 2D đều được tạo ra từ một số loại vật liệu được lựa chọn cẩn thận có cấu trúc mạng tương đối ổn định, chẳng hạn như graphene, vonfram diselenide hoặc molybdenum disulfide (MoS2).

Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Hồ Nam, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Vũ Hán đã bắt đầu phát triển các bóng bán dẫn đơn lớp mới sử dụng các vật liệu bán dẫn 2D thay thế mà cho đến nay chủ yếu được sử dụng để tạo ra các bóng bán dẫn đa lớp, bao gồm phốt pho đen (BP) và germanium arsenide (GeAs). Công trình của họ được công bố trên tạp chí Nature Electronics.

Wangying Li, Quanyang Tao và các đồng nghiệp của họ cho biết trong bài báo khoa học rằng: “Đối với một số vật liệu 2D đầy hứa hẹn, chẳng hạn như phốt pho đen và arsenide gecmani, việc chế tạo các bóng bán dẫn đơn lớp là một thách thức và bị hạn chế bởi những khó khăn trong việc hình thành các tiếp xúc điện mạnh mẽ với các vật liệu 2D tinh tế. Việc chế tạo các bóng bán dẫn phốt pho đen và germanium arsenide đơn lớp với các tiếp điểm nâng lên ba chiều bằng cách sử dụng kỹ thuật bóc tách van der Waals”.

Mục tiêu chính trong nghiên cứu gần đây của nhóm nghiên cứu là tạo ra các bóng bán dẫn mới từ chất bán dẫn 2D đơn lớp ngoài những chất bán dẫn cho đến nay chủ yếu được sử dụng trong thiết kế bóng bán dẫn đơn lớp. Điều này đặt ra một số thách thức vì một số vật liệu này khó thu nhỏ quy mô một cách đồng nhất mà không ảnh hưởng đến các đặc tính bên trong của chúng.

Để đạt được điều này, Li, Tao và các cộng tác viên của họ đã phát minh ra kỹ thuật bóc tách van der Waals (vdW) có thể dùng để tạo ra các bóng bán dẫn 2D đơn lớp với các tiếp điểm nâng lên 3D. Kỹ thuật này đòi hỏi phải dán các kim loại phẳng lên các kênh 2D nhiều lớp, từ đó cho phép các nhà nghiên cứu loại bỏ lớp bán dẫn ở trên cùng của ngăn xếp bằng cách bóc lớp kim loại ra.

Li nói: “Thông qua quá trình bóc tách cơ học từng lớp, vùng kênh của bóng bán dẫn phốt pho đen đa lớp có thể giảm dần xuống độ dày đơn lớp mà không làm suy giảm mạng tinh tế của nó và vẫn giữ được vùng tiếp xúc nhiều lớp”.

Thuộc một phần của nghiên cứu, nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật bóc tách được đề xuất để tạo ra các mối nối đồng nhất và siêu mạng đồng nhất dựa trên nhiều chất bán dẫn 2D khác nhau, bao gồm BP, GeAs, InSe (indium selenide) và GaSe (gallium selenide). Họ nhận thấy rằng phương pháp đề xuất cho phép họ làm mỏng phần kênh của bóng bán dẫn trong khi vẫn duy trì độ dày cần thiết ở vùng tiếp xúc. “Sử dụng kỹ thuật này, chúng tôi đo các đặc tính điện của cùng một bóng bán dẫn 2D với độ dày kênh khác nhau. Chúng tôi nhận thấy rằng độ linh động mang của phốt pho đen giảm mạnh khi giảm độ dày cơ thể, hoạt động giống như một chất bán dẫn khối thông thường hơn là chất bán dẫn van der Waals tinh khiết”, Li, Tao và các đồng nghiệp báo cáo.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của kỹ thuật của họ trong việc phát triển các bóng bán dẫn đơn lớp đầy hứa hẹn với các tiếp điểm lên 3D dựa trên BP và GeAs. Trong tương lai, phương pháp bóc từng lớp của họ có thể mở ra những chân trời mới cho việc tạo ra các bóng bán dẫn mỏng hơn và có thể mở rộng bằng cách sử dụng chất bán dẫn 2D không phổ biến thường được coi là hoạt động kém đối với các ứng dụng này.

P.T.T (NASATI), theo https://techxplore.com/news/2024-01-transistors-based-monolayer-black-phosphorus.html, 7/1/2024