Физики уточнили свойства двумерных материалов для чипов будущего

Все наши существующие электронные устройства используют чипы, сделанные из кремния, который является трехмерным материалом. Но, по мнению экспертов, будущее за чипами, сделанными из двумерных материалов.

Речь идет о дихалькогениде переходного металла (TMD), который может иметь толщину всего в несколько атомов. Компьютерные чипы, изготовленные из этих сверхтонких полупроводников, позволят создавать большую вычислительную мощность на меньшей площади поверхности.

В исследовании, опубликованном в журнале 2D Materials, команда под руководством физика из Принстонской лаборатории плазменных исследований Шоаиба Халида изучила, может ли использование TMD стать решением существующей проблемы, когда инновации в области кремниевых чипов достигли своего пика.

Самые тонкие TMD имеют толщину всего в три атома и расположены как сэндвич. «Хлеб» состоит из атомов халькогенов — элементов 16-й группы периодической таблицы, таких как кислород или сера. Атомы переходных металлов — в группах 3-12 — составляют «начинку».

В частности, ученые исследовали, так называемые дефекты TMD. Когда атом отсутствует или может оказаться в неположенном месте. Оказалось, что такие дефекты имеют свои преимущества, например, делают TMD более электропроводными.

Но чтобы использовать такие положительные эффекты дефектов и уменьшить любые негативные последствия, ученым необходимо было понять, как возникают дефекты и как они влияют на характеристики материала.

В ходе исследования команда Халида определила, какие виды дефектов чаще всего образуются в TMD, и изучила, как эти дефекты формируют свойства материала.

Сначала команда исследовала дефекты, в которых отсутствовал один из атомов халькогена. Предыдущее исследование показало, что TMD из дисульфида молибдена излучает инфракрасный свет при освещении. Команда Халида обнаружила, что инфракрасное излучение света было вызвано движением электронов, связанных с пространством, где должен быть отсутствующий халькоген.

Далее исследователи изучили тип дефекта, когда атом водорода зажат между двумя атомами металла. Водород — это распространенная примесь, которая возникает в TMD во время создания. Оказалось, что большинству типов TMD атомы водорода придают небольшой отрицательный заряд, превращая их в полупроводники «n-типа».

Компьютерные чипы работают на комбинации полупроводников n-типа и положительно заряженных полупроводников «p-типа». Хотя ученые уже знали, что некоторые материалы TMD могут действовать как полупроводники n-типа, новое исследование объясняет, откуда берется дополнительный отрицательный заряд.

Понимание того, как эти дефекты влияют на производительность TMD, может помочь исследователям создать компьютерные чипы следующего поколения.