碲和硒的熔融混合物可能是实现透明电子产品的关键所在

2021年04月05日 23:45 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

本周出炉的一项新研究,可能为下一代透明电子产品铺平道路。这种透明器件有可能被集成在玻璃、柔性显示器和智能隐形眼镜中,使那些看似科幻小说中的未来设备成为现实。几十年来,研究人员一直在寻找一种基于半导体氧化物的新型电子器件,其光学透明度可以实现这些完全透明的电子器件。

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基于氧化物的设备也可以在电力电子和通信技术中找到用武之地,减少我们公用事业网络的碳足迹。

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现在,RMIT领导的团队已经将超薄的β-泰勒石引入到二维(2D)半导体材料家族中,为这种长达数十年的高迁移率p型氧化物的寻找工作提供了答案。"这种新的高迁移率p型氧化物填补了材料光谱中的关键空白,以实现快速、透明的电路,"团队负责人Torben Daeneke博士说,他领导了三个研发节点的合作。

长期以来,人们所追求的氧化物型半导体的其他关键优势是其在空气中的稳定性、纯度要求不那么严格、成本低和易于沉积。"在我们的推进过程中,缺失的环节是找到正确的、'积极'的方法。"Torben说。半导体材料分为两种类型,N型材料拥有丰富的负电荷电子,P型半导体则拥有大量的正电荷空穴。正是由于N型和P型材料的互补堆积,才有了二极管、整流器、逻辑电路等电子器件。

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碲和硒的熔融混合物在表面上滚动,会沉积出一层原子厚度的β-碲矿片

现代生活严重依赖这些材料,因为它们是每台计算机和智能手机的构件。氧化物器件的一个障碍是,虽然已知有许多高性能的N型氧化物,但严重缺乏高质量的P型氧化物。2018年的一项计算研究显示,β-碲矿(β-TeO2)可能是一个有吸引力的p型氧化物候选者,碲在周期表中的特殊位置意味着它既可以作为金属又可以作为非金属,为其氧化物提供独特的有用特性。

"这一预测鼓励我们RMIT大学的小组探索其特性和应用,"作为副研究员的Torben Daeneke博士说。Daeneke博士的团队展示了用一种专门开发的合成技术分离β-碲矿,这种技术依赖于液态金属化学。

"制备碲(Te)和硒(Se)的熔融混合物,并让其在表面上滚动,"共同第一作者Patjaree Aukarasereenont解释说。"由于环境空气中的氧气,熔融的液滴自然形成了薄薄的β-碲矿表面氧化层。当液滴在表面滚动时,这个氧化层会粘在上面,顺势沉积出原子薄的氧化片。"

"这个过程类似于绘画:你用玻璃棒作为笔,液态金属就是你的墨水,"Aukarasereenont解释说,她是RMIT的FLEET博士生。

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RMIT团队从左至右,Ali Zavabeti、Patjaree Aukarasereenont和Torben Daeneke与透明电子产品

虽然碲矿的理想β相生长在300℃以下,但纯碲的熔点很高,超过500℃。因此,加入硒来设计一种熔点较低的合金,使得合成成为可能。

"我们得到的超薄片仅有1.5纳米厚--只对应几个原子。这种材料在整个可见光谱范围内高度透明,具有3.7eV的带隙,这意味着人眼基本上看不到它们 "合著者Ali Zavabeti博士解释说。

为了评估所开发材料的电子特性,他们用新材料制造了场效应晶体管(FET)。

"这些器件显示出特征性的p型开关以及高空穴迁移率(大约140 cm2V-1s-1),表明β-泰勒石的速度是现有p型氧化物半导体的十到一百倍。优异的导通比(超过106)也证明了该材料适用于高能效的快速器件。"Patjaree Aukarasereenont表示,"这些发现填补了电子材料库中的一个重要空白,"Ali Zavabeti博士补充说。

"拥有一种快速、透明的p型半导体供我们使用,有可能彻底改变透明电子学,同时还能实现更好的显示和改进的节能设备。"

该团队计划进一步探索这种新型半导体的潜力。"我们对这种令人兴奋的材料的进一步研究将探索在现有和下一代消费电子产品中的集成,"Torben Daeneke博士说。

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