2023-02-14 ペンシルベニア州立大学(PennState)
Furkan Turker, graduate student in the Department of Materials Sciences, works on a silicon carbide chip in the laboratory Credit: Penn State / Penn State. Creative Commons
◆ペンシルバニア州立大学材料科学・工学部教授、ジョシュア・ロビンソン氏は、「トランジスタや電子デバイスをより速く動作させる方法の1つは、電子がA点とB点の間を移動しなければならない距離を縮めることです」と語っています。「シリコンのような3次元材料では、ナノメートルにまで縮小すると特性が変化してしまいます。だから、新しい材料、その1つである2D材料を探す大規模なプッシュが行われています。
◆材料科学科の大学院生、フルカン・ターカーが率いるチームは、閉じ込めヘトロエピタキシー（CHet）と呼ばれる技術を使って、2次元酸化物を作りました。この特殊な性質を持つ材料は、導電性材料の層の間にある原子レベルの薄い絶縁層として機能することができます。
◆実験室試験で、この酸化物は、ヘテロ構造と呼ばれる2D/3D積層材料に使用するのに適した特性を示し、従来のデバイスのように水平方向ではなく、構造中を電子が垂直に移動できるようになりました。
◆これにより、電子が電気の流れをつくるために移動しなければならない距離が短くなり、ギガヘルツやテラヘルツの周波数で動作する将来の高速デバイスを構築する上で重要であると、研究者らは述べている。この研究成果は、『Advanced Functional Materials』誌に掲載された。
◆このプロセスでは、炭化ケイ素を高温に加熱して表面からシリコンの薄層を蒸発させ、炭素を残して再配列してグラフェン（炭素の2次元版）を形成し、実質的に材料の上に保護膜を形成している。
◆重要なのは、グラフェンと炭化ケイ素の界面が部分的にしか安定しないことである。つまり、グラフェンに穴を開け、高温で純金属の粉末を表面に蒸着させると、毛細管現象のように金属が穴に引き込まれるのだと、科学者たちは語っている。
◆今回の研究では、材料に穴やパターンを追加して再び加熱し、ガスが内部の金属層と相互作用するようにした。
＜関連情報＞
- https://www.psu.edu/news/research/story/two-dimensional-oxides-open-door-high-speed-electronics/
- https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202210404
閉じ込めヘテロエピタキシーで実現した2次元酸化物 2D Oxides Realized via Confinement Heteroepitaxy
Furkan Turker, Chengye Dong, Maxwell T. Wetherington, Hesham El-Sherif, Stephen Holoviak, Zachary J. Trdinich, Eric T. Lawson, Gopi Krishnan, Caleb Whittier, Susan B. Sinnott, Nabil Bassim, Joshua A. Robinson
Advanced Functional Materials Published: 23 November 2022
DOI:https://doi.org/10.1002/adfm.202210404
Abstract
Novel confinement techniques facilitate the formation of non-layered 2D materials. Here it is demonstrated that the formation and properties of 2D oxides (GaOx, InOx, SnOx) at the epitaxial graphene (EG)/silicon carbide (SiC) interface is dependent on the EG buffer layer properties prior to element intercalation. Using 2D Ga, it is demonstrated that defects in the EG buffer layer lead to Ga transforming to GaOx with non-periodic oxygen in a crystalline Ga matrix via air oxidation at room temperature. However, crystalline monolayer GaO2 and bilayer Ga2O3 with ferroelectric wurtzite structure(FE-WZ’) can then be formed via subsequent high-temperature O2 annealing. Furthermore, the graphene/X/SiC (X = 2D Ga or Ga2O3) junction is tunable from Ohmic to a Schottky or tunnel barrier depending on the interface species. Finally, using vertical transport measurements and electron energy loss spectroscopy analysis, the bandgap of 2D gallium oxide is identified as 6.6 ± 0.6 eV, significantly larger than that of bulk β-Ga2O3 (≈4.8 eV), suggesting strong quantum confinement effects at the 2D limit. The study presented here is foundational for development of atomic-scale, vertical 2D/3D heterostructure for applications requiring short transit times, such as GHz and THz devices.
