Forschung -

Ein großes Rätsel in der 2-D Materialelektronik gelöst

Schottkydioden bestehen aus einem Metall, das mit einem Halbleiter in Kontakt steht. Trotz ihres einfachen Aufbaus sind Schottkydioden äußerst nützliche Komponenten in der modernen Elektronik.

Schottkydioden, die aus zweidimensionalen Materialien hergestellt werden, haben in den letzten Jahren aufgrund ihres Potenzials in Transistoren, Gleichrichtern, HF-Generatoren, Logikgattern, Solarzellen, chemischen Sensoren, Fotodetektoren, flexibler Elektronik und so weiter große Aufmerksamkeit auf sich gelenkt.

Das Verständnis von auf 2-D Material basierenden Schottkydioden ist jedoch unvollständig. Mehrere theoretische Modelle haben in der Literatur nebeneinander existiert, und ein Modell wird oft a priori ohne strenge Begründungen ausgewählt.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein analytisches Modell mit zugrunde liegender Physik den physikalischen Eigenschaften von 2-D Materialien, die zur Analyse einer 2-D Material Schottkydiode verwendet werden, grundlegend widerspricht.

Forscher der 'Singapore University of Technology and Design' (SUTD) haben einen großen Schritt nach vorne getan, um die Geheimnisse von Schottkydioden aus 2-D Material zu lösen.

Durch die Anwendung einer rigorosen theoretischen Analyse entwickelten sie eine neue Theorie, um verschiedene Varianten von auf 2-D Material basierenden Schottkydioden unter einem einheitlichen Rahmen zu beschreiben.

Die neue Theorie bietet eine Grundlage, die bisherige kontrastierende Modelle vereint und damit eine große Verwirrung in der 2-D Materialelektronik beendet.

"Ein besonders bemerkenswertes Ergebnis ist, dass der elektrische Strom, der über eine Schottkydiode aus 2-D Material fließt, einem universellen Skalierungsgesetz für viele 2-D Materialarten folgt", sagte Erstautor Dr. Yee Sin Ang von der SUTD.

Universelle Skalierungsgesetze sind in der Physik sehr wertvoll, da sie ein praktisches "Schweizer Taschenmesser" zur Aufdeckung des Innenlebens eines physikalischen Systems bieten.

Universelle Skalierungsgesetze sind in vielen Bereichen der Physik erschienen, darunter Halbleiter, Supraleiter, Fluiddynamik, mechanische Brüche und sogar in komplexen Systemen wie Tierlebensdauer, Wahlergebnisse, Transportwesen und Stadtwachstum.

Das universelle Skalierungsgesetz, das von den SUTD-Forschern entdeckt wurde, bestimmt, wie der elektrische Strom mit der Temperatur variiert. Das Gesetz ist für breite Klassen von 2-D Systemen anwendbar, darunter Halbleiter-Quantentòpfe, Graphen, Silicene, Germanene, Stanene, Übergangsmetalldichalkogenide und die Dünnfilme topologischer Feststoffe.

"Die einfache mathematische Form des Skalierungsgesetzes ist besonders nützlich für Wissenschaftler und Ingenieure bei der Entwicklung neuartiger 2-D Materialelektronik", sagte Co-Autor Professor Hui Ying Yang von der SUTD.

Die von den Forschern entdeckten Skalierungsgesetze stellen ein einfaches Werkzeug für die Extraktion der Schottky-Barrierenhöhe dar - eine physikalische Größe, die für die Leistungsoptimierung der 2-D Materialelektronik von entscheidender Bedeutung ist.

"Die neue Theorie hat weitreichende Auswirkungen auf die Festkörperphysik", sagte Mitautor und Hauptforscher Professor Lay Kee Ang von der SUTD. "Sie signalisiert den Zusammenbruch der klassischen Diodengleichung, die in den letzten 60 Jahren für traditionelle Materialien weit verbreitet war. Sie soll unser Verständnis dafür vertiefen, wie man eine bessere Elektronik aus 2-D Materialien entwirft".

Schrifttum: Yee Sin Ang et al, Universal Scaling Laws in Schottky Heterostructures Based on Two-Dimensional Materials, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.056802

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