El germanio, un semiconductor elemental, fue el material elegido en la historia temprana de los dispositivos electrónicos, antes de que fuera reemplazado en gran medida por el silicio. Pero debido a su alta movilidad del portador de carga, más alto que el silicio en tres veces, el semiconductor está produciendoun regreso.
El germanio Ge generalmente se cultiva en sustratos caros de un solo cristal, agregando otro desafío para hacerlo sostenible de manera sostenible para la mayoría de las aplicaciones. Para abordar este aspecto, los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer en los Estados Unidos demuestran un método de epitaxia que incorpora van derLas fuerzas de Waals para cultivar Ge en mica. Las aplicaciones podrían incluir circuitos integrados avanzados y células solares de alta eficiencia.
"Esta es la primera vez que la epitaxia sin derrames de van der Waals de un semiconductor elemental se ha demostrado en la mica", dijo Aaron Littlejohn, investigador de RPI y coautor del artículo que demuestra el trabajo, publicado recientemente en el Revista de Física Aplicada , de AIP Publishing.
El crecimiento de capas de película cristalina sobre sustratos cristalinos llamado epitaxia es omnipresente en la fabricación de semiconductores. Si la película y los materiales del sustrato son iguales, entonces las capas perfectamente combinadas forman fuertes enlaces químicos para una óptima movilidad del portador de carga.
Sin embargo, la estratificación efectiva de diferentes materiales es un desafío porque las redes cristalinas generalmente no se alinean. Para evitar esto, los investigadores emplearon fuerzas vdW, fenómenos que se basan en la naturaleza probabilística de los electrones, que no están en una posición fijaalrededor de un núcleo. Por el contrario, pueden estar en cualquier lugar, y la probabilidad de que se distribuyan de manera desigual existe casi todo el tiempo. Cuando esto sucede, hay un dipolo inducido: una ligera carga positiva en un lado y una ligera carga negativa en el lado opuesto.Esto produce interacciones débilmente atractivas entre átomos neutros.
Los investigadores eligieron la mica como el sustrato sobre el cual cultivar la película Ge debido a su superficie atómicamente lisa, que está libre de enlaces colgantes electrones de valencia no apareados. Esto aseguró que no se produciría ningún enlace químico durante el proceso de epitaxia vdW.
En cambio, la interfaz de los materiales se mantiene unida a través de fuerzas vdW débiles. Esto permite el crecimiento de una película relajada a pesar de las estructuras de cristal dramáticamente diferentes de los dos materiales que tienen una diferencia del 23 por ciento en las separaciones atómicas. Además de aliviar elRestricciones de la correspondencia de redes, la epitaxia vdW permite que la película Ge se exfolie mecánicamente de la superficie de la mica y se mantenga sola como una película sin sustrato.
"Nuestra película Ge podría usarse como una nanomembrana de película delgada, que podría integrarse en dispositivos electrónicos más fácilmente que los nanocristales o nanocables", dijo Littlejohn. "También podría servir como sustrato para la posterior deposición de materiales adicionales paratransistores flexibles y células solares, o incluso optoelectrónica portátil ".
Las películas de geranio de aproximadamente 80 nanómetros de espesor se cultivaron en sustratos de mica de moscovita a escala milimétrica de .26 mm de espesor. Al variar la temperatura del sustrato durante la deposición y el recocido en el rango de 300-500 grados Celsius, los investigadores encontraron que la red cristalina se estabiliza aalrededor de 425 grados centígrados
"Investigaciones previas implican que los semiconductores elementales no se pueden cultivar epitaxialmente en mica usando fuerzas vdW a cualquier temperatura elevada, pero ahora hemos demostrado lo contrario", dijo Littlejohn. "Con el éxito de nuestra película Ge cultivada en mica a una temperatura práctica,anticipamos que otros materiales elementales o aleados no en capas se pueden cultivar en mica a través de la epitaxia vdW ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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