Chemici van de Technische Universität München (TUM) ontwikkelden een halfgeleider materiaal, waarbij de aparte fosforatomen werden vervangen door arseen. In het kader van een internationale samenwerking bouwden ze daarmee samen met Amerikaanse collega’s voor het eerst FET-transistoren.
Grafeen, dat bestaat uit een enkele atoomlaag van het koolstofnetwerk, werd door de Nobelprijs 2010 op slag beroemd. Maar er bestaan alweer concurrenten. Ook met fosfor en arseen kan men dergelijke lagen produceren.
Halfgeleiders van silicium
Al veel decennia is silicium de basis voor de moderne elektronica. De siliciumtechniek kon transistoren voor steeds kleinere apparatuur leveren, maar de afmetingen van de silicium-transistoren bereiken langzamerhand hun fysieke grens. Bovendien is silicium hard en bros , terwijl de consumenten graag flexibele apparatuur willen, zoals apparaten die in kleding kunnen worden verwerkt en nog veel meer. Dit heeft geleid tot een reeks nieuwe materialen, die op zeker moment silicium kunnen vervangen.
Een dergelijk materiaal zal arseen in zwarte fosfor kunnen zijn. Net als grafeen, dat uit een enkele laag koolstofatomen bestaat, vormt het dunne lagen. De bandbreedte voor de toepassingen loopt van transistoren via sensoren tot aan mechanisch flexibele halfgeleider onderdelen. Het materiaal gedraagt zich als een halfgeleider, terwijl grafeen elektronisch gedrag vertoont als metalen.
Fosfor in plaats van grafeen
Samenwerking van de technische universiteit München en de Universität Regensburg van Duitse kant en de Amerikaanse universiteiten University of Southern California (USC) en Yale University maakte nu voor het eerst de productie mogelijk van Field-Effect-Transistoren van arseen houdende zwarte fosfor. De verbindingen werden gesynthetiseerd door Marianne Köpf in het Labor des Fachgebiets für Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien aan de TU München.
De nieuwe methode maakt het mogelijk om zwart arseen-fosfor zonder hoge druk te synthetiseren. Dat vraagt minder energie en is goedkoper. Door het gehalte aan arseen te variëren, kan de kloof tussen valentie- en vermogensband nauwkeurig worden ingesteld. “Hierdoor wordt het voor ons mogelijk om materialen met tot nu toe onhaalbare elektronische en optische eigenschappen binnen een energievenster te produceren, dat tot nu toe niet haalbaar was”, zegt prof. Tom Nilges, hoofd van het vakgebied voor synthese en karakterisering van innovatieve materialen.
Detectoren voor infrarood
Bij een gehalte van 83% arseen heeft het materiaal een bandbreedte van slechts 0,15 eV (elektronvolt). Met zo’n materiaal zouden sensoren kunnen worden opgebouwd, die de golflengte in het lange golfgebied infrarood kunnen detecteren. In dit gebied werken bijvoorbeeld LiDAR-sensoren (Light Detection and Ranging). Deze worden onder andere gebruikt in auto’s als afstandssensoren. Een andere toepassing is de meting van stofdeeltjes en gassporen in de milieu meettechniek.
Een ander interessant aspect van deze nieuwe twee dimensionale halfgeleider zijn de anisotrope elektronische en optische eigenschappen. Dit komt, doordat de materialen een verschillend gedrag tonen in de X- en Y-richting in hetzelfde vlak. Het materiaal kan in lagen worden afgenomen. De dunste tot nu toe bereikte lagen waren slechts twee atoom lagen dik.
