Germânio, um semicondutor elementar, foi o material escolhido no início da história dos dispositivos eletrônicos, antes de ser amplamente substituído pelo silício. Mas, devido à sua mobilidade de portadores de alta carga - mais alta do que o silício em três vezes - o semicondutor está voltando.

Germânio (Ge) é geralmente cultivado em substratos de cristal único caros, adicionando outro desafio para torná-lo sustentável de forma sustentável para a maioria das aplicações. Para abordar este aspecto, pesquisadores do Rensselaer Polytechnic Institute nos Estados Unidos demonstram um método de epitaxia que incorpora as forças de van der Waals para cultivar Ge em mica. As aplicações podem incluir circuitos integrados avançados e células solares de alta eficiência.

"Esta é a primeira vez que a epitaxia de van der Waals livre de cepa de um semicondutor elementar foi demonstrada na mica, "disse Aaron Littlejohn, Pesquisador RPI e co-autor do artigo de demonstração do trabalho, publicado recentemente no Journal of Applied Physics .

O crescimento de camadas de filme cristalino em substratos cristalinos (denominado epitaxi) é onipresente na fabricação de semicondutores. Se o filme e os materiais do substrato forem iguais, então, as camadas perfeitamente combinadas formam fortes ligações químicas para a mobilidade ideal do portador de carga.

Sobrepondo diferentes materiais de forma eficaz, Contudo, é um desafio porque as estruturas cristalinas normalmente não se alinham. Para contornar isso, pesquisadores empregaram forças vdW, fenômenos que são baseados na natureza probabilística dos elétrons, que não estão em uma posição fixa em torno de um núcleo. Em vez, eles podem estar em qualquer lugar, e a probabilidade de que sejam distribuídos desigualmente existe quase o tempo todo. Quando isso acontece, há um dipolo induzido:uma leve carga positiva de um lado e uma leve carga negativa do lado oposto. Isso produz interações fracamente atraentes entre átomos neutros.

Os pesquisadores escolheram a mica como substrato para o crescimento do filme Ge por causa de sua superfície atomicamente lisa, que está livre de ligações pendentes (elétrons de valência desemparelhados). Isso garantiu que nenhuma ligação química ocorreria durante o processo de epitaxia vdW.

Em vez de, a interface dos materiais é mantida unida por meio de forças vdW fracas. Isso permite o crescimento de um filme relaxado, apesar das estruturas de cristal dramaticamente diferentes dos dois materiais, que têm uma diferença de 23% nos espaçamentos atômicos. Além de aliviar as restrições de correspondência de rede, A epitaxia vdW permite que o filme Ge seja mecanicamente esfoliado da superfície da mica e fique sozinho como um filme sem substrato.

"Nosso filme Ge pode ser usado como uma nanomembrana de filme fino, que poderiam ser integrados em dispositivos eletrônicos mais facilmente do que nanocristais ou nanofios, "Disse Littlejohn." Também pode servir como substrato para a deposição subsequente de materiais adicionais para transistores flexíveis e células solares, ou mesmo optoeletrônicos vestíveis. "

Filmes de gerânio com cerca de 80 nanômetros de espessura foram cultivados em substratos de mica muscovita em escala milimétrica com 0,26 mm de espessura. Ao variar a temperatura do substrato durante a deposição e recozimento na faixa de 300-500 graus Celsius, os pesquisadores descobriram que a estrutura do cristal se estabiliza em cerca de 425 graus Celsius.

"Pesquisas anteriores indicam que semicondutores elementares não podem ser cultivados epitaxialmente em mica usando forças vdW em qualquer temperatura elevada, mas agora mostramos o contrário, "Disse Littlejohn." Com o sucesso de nosso filme Ge cultivado em mica a uma temperatura prática, prevemos que outros materiais elementares ou com liga podem ser cultivados em mica via epitaxia vdW. "