Получение, исследование и модификация свойств слоистых халькогенидных полупроводников

Тема PhD диссертации

Получение, исследование и модификация свойств слоистых халькогенидных полупроводников

Актуальность:

Одна из главных задач нанотехнологии заключается в создании на основе наноматериалов миниатюрных приборов электроники с улучшенными характеристиками и производительностью способных заменить существующие кремниевые технологии. С появлением двумерных нанокристаллов – плоских наноматериалов атомарной толщины, решение данной задачи стало очевидным. Широкий спектр электронных свойств двумерных нанокристаллов, а главное возможность их управления, делают эти объекты наиболее перспективными в современной электронике. Уже сегодня продемонстрированы работы опытных образцов гибких электронных и оптоэлектронных приборов с использованием двумерных нанокристаллов в лабораторных условиях.

В настоящее время особый интерес представляют двумерные нанокристаллы на основе семейства халькогенидов металлов с общей формулой М-X, где М - элементы подгруппы бора IIIА (галий Ga, индий In, талий Ta) или группы IV ( германий Ge, олово Sn, свинец Pb), а X - халькогены: сера (S), селен (Se) или теллур (Te). Монослой двумерных нанокристаллов (MX) строится путем послойного расположения атомов металла и халькогена с определенным чередованием (X-M-M-X). Толщина одного слоя такого наноматериала составляет от 0,7 до 1,2 нм. Предполагается что двумерные нанокристаллы семейства халькогенидов металлов (M-X) будут обладать всеми положительными свойствами необходимыми для эффективного внедрения их в производство. К данным свойствам относятся высокая подвижность носителей заряда, высокая гибкость с достаточной механической прочностью, возможность получения высокоориентированных нанокристаллов микромеханическим расщеплением и их стабильность к окружающей среде. Яркими представителями семейства халькогенидов металлов M(IIIА)X являются малослойные селениды индия InSe и галлия GaSe. В этих наноматериалах при уменьшении слоистости можно наблюдать квантово-размерные эффекты. Известно, что объемный InSe является прямозонным полупроводником со слоистой структурой и шириной запрещенной зоны в 1,25 эВ. При уменьшении количества слоев до двух, ширина запрещенной зоны InSe увеличивается на ~0,5 эВ [31,32]. В работе [31] показано, что подвижность носителей заряда в InSe может превышать 103 cm2/В*с при комнатной температуре, что позволяет наблюдать квантовый эффект Холла. Более того, внешнее воздействие, например одноосное механическое растяжения может изменять зонную структуру двумерного нанокристалла InSe [32].

Главное преимущество двумерных нанокристаллов заключается в том, что существует множество способов модификации их структуры и электронных свойств.  Наиболее эффективными методами являются функционализация различными химическими элементами и радиационное воздействие. Например, графен известный как материал с нулевой шириной запрещенной зоны начинает проявлять полупроводниковые свойства после облучения или легирования азотом. Данные подходы позволяют контролируемо управлять структурой и свойствами двумерных нанокристаллов что немаловажно для элементов современной наноэлектроники. Кроме того, модификация двумерных нанокристаллов повышает их устойчивость к окружающей среде, что благоприятно скажется на работоспособности и долговечности устройств, созданных на их основе.