Das folhas às pilhas, novas nanoestruturas profissionais

Mar 01, 2024

Novos TFETs realizados com junções de dichalcogeneto de metal de transição multicamadas no plano

Universidade Metropolitana de Tóquio

imagem: A deposição química de vapor pode ser usada para desenvolver uma estrutura TMDC multicamadas a partir de um TMDC diferente.Veja mais

Crédito: Universidade Metropolitana de Tóquio

Tóquio, Japão – Cientistas da Universidade Metropolitana de Tóquio projetaram com sucesso nanoestruturas multicamadas de dichalcogenetos de metais de transição que se encontram no plano para formar junções. Eles cresceram camadas de estruturas multicamadas de dissulfeto de molibdênio a partir da borda de fragmentos de dissulfeto de molibdênio dopados com nióbio, criando uma heteroestrutura plana espessa e ligada. Eles demonstraram que estes podem ser usados ​​para fazer novos transistores de efeito de campo de túnel (TFET), componentes em circuitos integrados com consumo de energia ultrabaixo.

Os transistores de efeito de campo (FETs) são um componente crucial de quase todos os circuitos digitais. Eles controlam a passagem da corrente através dele dependendo da tensão aplicada. Embora os FETs semicondutores de óxido metálico (ou MOSFETs) constituam a maioria dos FETs em uso atualmente, continua a busca pela próxima geração de materiais para acionar dispositivos cada vez mais exigentes e compactos, usando menos energia. É aqui que entram os FETs de tunelamento (ou TFETs). Os TFETs dependem do tunelamento quântico, um efeito em que os elétrons são capazes de ultrapassar barreiras geralmente intransponíveis devido a efeitos mecânicos quânticos. Embora os TFETs utilizem muito menos energia e tenham sido propostos há muito tempo como uma alternativa promissora aos FETs tradicionais, os cientistas ainda não encontraram uma forma de implementar a tecnologia de uma forma escalável.

Uma equipe de cientistas da Universidade Metropolitana de Tóquio liderada pelo professor associado Yasumitsu Miyata tem trabalhado na fabricação de nanoestruturas a partir de dichalcogenetos de metais de transição, uma mistura de metais de transição e elementos do grupo 16. Os dichalcogenetos de metais de transição (TMDCs, dois átomos de calcogênio para um átomo de metal) são excelentes materiais candidatos para a criação de TFETs. Seus sucessos recentes permitiram-lhes unir camadas espessas de um único átomo de folhas cristalinas de TMDC em comprimentos sem precedentes. Agora, eles voltaram sua atenção para estruturas multicamadas de TMDCs. Usando uma técnica de deposição química de vapor (CVD), eles mostraram que poderiam desenvolver um TMDC diferente a partir da borda de planos cristalinos empilhados montados em um substrato. O resultado foi uma junção no plano com espessura de múltiplas camadas. Grande parte do trabalho existente em junções TMDC utiliza monocamadas empilhadas umas sobre as outras; isso ocorre porque, apesar do excelente desempenho teórico das junções no plano, as tentativas anteriores não conseguiram realizar as altas concentrações de buracos e elétrons necessárias para fazer um TFET funcionar.

Depois de demonstrar a robustez de sua técnica usando dissulfeto de molibdênio cultivado a partir de disseleneto de tungstênio, eles voltaram sua atenção para o dissulfeto de molibdênio dopado com nióbio, um semicondutor do tipo p. Ao desenvolver estruturas multicamadas de dissulfeto de molibdênio não dopado, um semicondutor do tipo n, a equipe percebeu uma junção pn espessa entre TMDCs com concentração de portadores sem precedentes. Além disso, eles descobriram que a junção mostrou uma tendência de resistência diferencial negativa (NDR), onde aumentos na tensão levam a um aumento cada vez menor da corrente, uma característica fundamental do tunelamento e um primeiro passo significativo para esses nanomateriais chegarem aos TFETs.

O método empregado pela equipe também é escalável em grandes áreas, tornando-o adequado para implementação durante a fabricação de circuitos. Este é um novo e excitante desenvolvimento para a eletrônica moderna, com a esperança de que ele encontre seu caminho para aplicações no futuro.

Este trabalho foi apoiado por JSPS KAKENHI Grants-in-Aid, Grant Numbers JP20H02605, JP21H05232, JP21H05233, JP21H05234, JP21H05237, JP22H00280, JP22H04957, JP22H05469, JP22J14738, JP21K14484, JP20K22323, JP20H00316, JP20H02080, JP20K05253, JP20H05664, JP18H01822, JP21K04826, JP22H05445 e JP21K14498, CREST Grant Number JPMJCR16F3 e Agência de Ciência e Tecnologia do Japão FOREST Grant Number JPMJFR213X.