W jaki sposób prąd płynie w wielowarstwowych przewodnikach?

Rozkład natężenia prądu w materiałach 2D

Naukowcy wciąż odkrywają niezwykłe właściwości elektroniczne nanomateriałów, takich jak grafen czy dichalkogenki metali przejściowych. Niestety sposób, w jaki płynie prąd w takich przewodnikach nie jest do końca znany. W nowych badaniach, naukowy po raz pierwszy zbadali, jak jest to możliwe w wielowarstwowych materiałach 2D, stwierdzając, że różni się on znacznie od przepływu prądu w materiałach o strukturze trójwymiarowej. Zrozumienie tej zasady pozwoli na rozwój przyszłych urządzeń nanoelektronicznych.

Autorami badań są Saptarshi Das i Joerg Appenzeller z Purdue University w West Lafayyette w USA. W swoich eksperymentach oceniali jakościowo przepływ prądu w tranzystorze wykonanym z dwuwymiarowego MoS2, który miał 8nm grubości i składał się z 13 warstw tlenku. Jak wyjaśnili naukowcy, prąd w poszczególnych warstwach nie może zostać zmierzony. Opracowano, więc alternatywną metodę mapowania rozkładu prądu w wielu warstwach dzięki wykorzystaniu skalowania długości kanału za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego.

Naukowcy odkryli, że prąd rozchodzi się we wszystkich warstwach, a te najniższe pozwalają tylko na ograniczony przepływ elektronów. Obliczając średnią ważoną, udało im się, natomiast zlokalizować miejsca, w których ich natężenie jest największe.

Co ciekawe, jednak, gdy badacze zmienili napięcie polaryzacji bramki, lokalizacja miejsca, które przewodziło prąd najefektywniej, również się zmieniła. Po wnikliwych badaniach powiązali ten fakt z niewielką rezystancją pomiędzy kolejnymi warstwami urządzenia.

Podobny eksperyment przeprowadzili następnie z 13-warstwowym grafenem, obserwując skutki zgoła odwrotne. Przy takiej samej początkowej polaryzacji, prąd najefektywniej przepływał przez dolne warstwy tranzystora. Naukowcy wiążą ten fakt z różnicami w fizycznej strukturze materiałów i uważają, że są w stanie zlokalizować najbardziej efektywne warstwy z błędem rzędu 5%.

„Zrozumienie mechanizmu transportu prądu w małowymiarowych materiałach jest ważne z punktu widzenia, nie tylko fundamentów nauki, ale także w kontekście konstrukcji wysokiej jakości urządzeń. Nasze badania w połączeniu z analitycznym modelowaniem rzucają nowe światło na przepływ w MoS2 oraz grafenie."

Das dodał, że jego przyszłe prace będą koncentrować się na realizacji nowych koncepcji urządzeń opartych o materiały dwuwymiarowe, wykorzystujące ich unikalne właściwości elektryczne, mechaniczne oraz optyczne.

(rr)