Ученые СГУ разработали новые модели двумерных гибридных материалов для создания высокоточных детекторов УФ-излучения длительной эксплуатации. Эти детекторы могут использоваться для анализа биологических и химических веществ, мониторинга окружающей среды, астрономических исследований, а также организации закрытой связи между искусственными спутниками. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials.
По словам сотрудников Саратовского национального исследовательского государственного университета (СГУ) имени Н.Г. Чернышевского, сегодня для конструирования электронных устройств с заданными характеристиками, в частности, полевых транзисторов и фотодиодов, успешно применяется сочетание 2D материалов атомарной толщины с различным типом проводимости (металл, полупроводник, диэлектрик) в виде ван-дер-ваальсовых гетероструктур.
Ван-дер-ваальсовые вертикальные гетероструктуры представляют собой гибридные материалы, составленные из чередующихся слоев различных кристаллов аналогично деталям конструктора Lego. Слои в составе таких гетероструктур удерживаются вместе силами ван-дер-Ваальса (силы межатомного взаимодействия).
Ученые СГУ исследовали возможность реализации контакта металл-полупроводник на базе новых конфигураций ван-дер-Ваальсовых гетероструктур, образованных 2D-монослоем борофена с металлической проводимостью в сочетании с графеноподобными полупроводниковыми монослоями нитридом галлия (GaN) и оксидом цинка (ZnO).
Они построили атомные модели новых ван-дер-Ваальсовых гетероструктур и спрогнозировали их структурные, электронные и электрические свойства с помощью методов компьютерного моделирования.
"Мы показали, что предложенные конфигурации гетероструктур термодинамически стабильны и характеризуются отсутствием в электронной структуре энергетической щели между валентной зоной и зоной проводимости, что говорит об их высокой способности проводить электрический ток. Кроме того, мы обнаружили, что эти гетероструктуры демонстрируют хорошую устойчивость значений тока к изменению температуры при малых напряжениях", – рассказал доцент кафедры радиотехники и электродинамики СГУ Михаил Слепченков.
По его словам, на основе предлагаемых ван-дер-ваальсовых гетероструктур в перспективе могут быть разработаны новые типы полевых вертикальных транзисторов с барьером Шоттки (потенциальный барьер, появляющийся в приконтактном слое полупроводника, граничащего с металлом) и высокоточные детекторы УФ-излучения.
Такие детекторы востребованы во многих прикладных сферах, например, для проведения спектрального анализа биологических и химических веществ, мониторинга окружающей среды, астрономических исследований, а также организации закрытой связи между искусственными спутниками.
Использование предлагаемых конфигураций ван-дер-Ваальсовых гетероструктур, по мнению исследователей, позволит обеспечить требуемые токовые характеристики устройств и сохранить их структурную целостность при длительном режиме эксплуатации.
Преимущества разработки, по словам ученых, заключаются в более высоких, по сравнению с аналогами, значениях тока. Значения тока при одних и тех же напряжениях в разработанных учеными СГУ гетероструктурах борофен/GaN и борофен/ZnO, используемых в качестве контакта Шоттки, измеряются десятками микроампер, в то время как в уже известных ван-дер-ваальсовых гетероструктурах, например борофен/MoS2, не превышают нескольких наноампер.
Кроме того, по словам исследователей, используемая в других работах гетероструктура борофен/MoS2 по энергии связи уступает разработанной учеными СГУ гетероструктуре борофен/GaN в два раза, а гетероструктуре борофен/ZnO – в три раза.
Чтобы эффективно применять новые гетероструктуры в устройствах нано- и оптоэлектроники, ученые планируют выявить оптимальные способы настройки их ключевых электрофизических параметров, которые можно реализовать в практическом эксперименте.
Направление, в рамках которого проводится данное исследование, входит в стратегический проект Саратовского государственного университета "Инфокоммуникационные технологии и элементная база терагерцовой микро- и наноэлектроники ("ИКТ – Электроника")" программы "Приоритет-2030".