研发报告详细内容

可调电子特性的2D 硅锗合金

      材料来源:compoundsemiconductor

科学家通过实验实现了具有可调电子特性的2D硅锗合金
 
日本高等科学技术研究所(JAIST)的科学家们实现了2D硅锗合金的首次实验演示。他们表示,通过调整硅与锗的比例可以微调电子性能,从而为创新性应用铺平道路。研究结果发表在《物理评论材料》(Physical Review Materials)上。
 
2D半导体合金被认为是突破现代电子技术限制的热门选择。可惜的是,作为碳基二维材料的典型代表,石墨烯很难合金化,这就把它排除在外了。
 
然而,还有另一种选择:硅烯。这种材料完全由硅原子组成,以类似于石墨烯的二维蜂窝状结构排列。如果硅烯的特性可以根据需要进行调整,那么2D硅基纳米电子学领域将会腾飞。尽管在理论上,用锗合金化硅烯可以产生稳定的二维结构,其特性可以通过硅与锗的比例进行调整,但这在实践中从未实现。
 
JAIST团队通过实验证实有一种新的方法可以生长硅烯层,并稳定地用锗取代其部分原子,从而微调部分电性能。
 
首先,科学家们在ZrB2薄膜上生长了单层2D硅烯。通过2D蜂窝状结构结晶的硅原子的表面偏析,ZrB2在硅衬底上生长。然而,该硅烯层并不是完全平坦的,六分之一的硅高一些,形成周期性的凸起或"突起"。
 
随后,在超高真空条件下将锗原子沉积到硅烯层上。有趣的是,无论是通过理论计算还是显微镜和光谱学的实验观察,都发现锗原子只能取代突出的硅原子。通过调节沉积的锗原子数目,可以生产出所需比例的硅锗合金。因此,最终材料的组成为Si6-xGex,其中x可以为0到1之间的任何数字。
 
该小组继续研究硅锗比例对硅锗合金电子特性的影响。他们发现,通过控制材料的成分,可以在特定范围内调整电子带结构。研究的主要作者,JAIST的高级讲师Antoine Fleurence对此结果感到十分兴奋,他说:"硅和锗是半导体工业中常用的元素,我们的实验证实,可以将设计多种用途的块状(3D)硅锗合金的方式应用于2D硅锗合金的带状结构。"
 
这项研究的意义重大,原因如下:首先,二维材料的极轻薄和灵活性对许多应用都很有吸引力,因为这意味着容易集成到日常设备中。其次,实验结果可能推动电子学的突破。该研究的合著者,来自JAIST的Yukiko Yamada-Takamura解释说,"由硅和锗制成的具有原子精确厚度的半导体二维材料,进一步减小电子器件基元的尺度。这将是硅基纳米技术道路上的里程碑。”
 
参考文献:
'Band engineering in an epitaxial two-dimensional honeycomb Si6−xGex alloy' by A. Fleurence el al; Phys. Rev. Materials 5, L011001 21 January (2021)
 
 
 
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