碲和硒的熔融混合物可能是實現透明電子產品的關鍵所在

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本周出爐的一項新研究,可能為下一代透明電子產品鋪平道路。這種透明器件有可能被集成在玻璃、柔性顯示器和智能隱形眼鏡中,使那些看似科幻小說中的未來設備成為現實。幾十年來,研究人員一直在尋找一種基於半導體氧化物的新型電子器件,其光學透明度可以實現這些完全透明的電子器件。

基於氧化物的設備也可以在電力電子和通信技術中找到用武之地,減少我們公用事業網路的碳足跡。

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現在,RMIT領導的團隊已經將超薄的β-泰勒石引入到二維(2D)半導體材料家族中,為這種長達數十年的高遷移率p型氧化物的尋找工作提供了答案。"這種新的高遷移率p型氧化物填補了材料光譜中的關鍵空白,以實現快速、透明的電路,"團隊負責人Torben Daeneke博士說,他領導了三個研發節點的合作。

長期以來,人們所追求的氧化物型半導體的其他關鍵優勢是其在空氣中的穩定性、純度要求不那麼嚴格、成本低和易於沉積。"在我們的推進過程中,缺失的環節是找到正確的、'積極'的方法。"Torben說。半導體材料分為兩種類型,N型材料擁有豐富的負電荷電子,P型半導體則擁有大量的正電荷空穴。正是由於N型和P型材料的互補堆積,才有了二極體、整流器、邏輯電路等電子器件。

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碲和硒的熔融混合物在表面上滾動,會沉積出一層原子厚度的β-碲礦片

現代生活嚴重依賴這些材料,因為它們是每台計算機和智能手機的構件。氧化物器件的一個障礙是,雖然已知有許多高性能的N型氧化物,但嚴重缺乏高質量的P型氧化物。2018年的一項計算研究顯示,β-碲礦(β-TeO2)可能是一個有吸引力的p型氧化物候選者,碲在周期表中的特殊位置意味著它既可以作為金屬又可以作為非金屬,為其氧化物提供獨特的有用特性。

"這一預測鼓勵我們RMIT大學的小組探索其特性和應用,"作為副研究員的Torben Daeneke博士說。Daeneke博士的團隊展示了用一種專門開發的合成技術分離β-碲礦,這種技術依賴於液態金屬化學。

"製備碲(Te)和硒(Se)的熔融混合物,並讓其在表面上滾動,"共同第一作者Patjaree Aukarasereenont解釋說。"由於環境空氣中的氧氣,熔融的液滴自然形成了薄薄的β-碲礦表面氧化層。當液滴在表面滾動時,這個氧化層會粘在上面,順勢沉積出原子薄的氧化片。"

"這個過程類似於繪畫:你用玻璃棒作為筆,液態金屬就是你的墨水,"Aukarasereenont解釋說,她是RMIT的FLEET博士生。

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RMIT團隊從左至右,Ali Zavabeti、Patjaree Aukarasereenont和Torben Daeneke與透明電子產品

雖然碲礦的理想β相生長在300℃以下,但純碲的熔點很高,超過500℃。因此,加入硒來設計一種熔點較低的合金,使得合成成為可能。

"我們得到的超薄片僅有1.5納米厚–只對應幾個原子。這種材料在整個可見光譜範圍內高度透明,具有3.7eV的帶隙,這意味著人眼基本上看不到它們 "合著者Ali Zavabeti博士解釋說。

為了評估所開發材料的電子特性,他們用新材料製造了場效應晶體管(FET)。

"這些器件顯示出特徵性的p型開關以及高空穴遷移率(大約140 cm2V-1s-1),表明β-泰勒石的速度是現有p型氧化物半導體的十到一百倍。優異的導通比(超過106)也證明了該材料適用於高能效的快速器件。"Patjaree Aukarasereenont表示,"這些發現填補了電子材料庫中的一個重要空白,"Ali Zavabeti博士補充說。

"擁有一種快速、透明的p型半導體供我們使用,有可能徹底改變透明電子學,同時還能實現更好的顯示和改進的節能設備。"

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該團隊計劃進一步探索這種新型半導體的潛力。"我們對這種令人興奮的材料的進一步研究將探索在現有和下一代消費電子產品中的集成,"Torben Daeneke博士說。

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