Mit dem Nobelpreis 2010 wurde Graphen, das nur eine Atomlage dicke Kohlenstoff-Netzwerk, über Nacht berühmt. Doch es gibt längst Konkurrenz. Auch aus Phosphor kann man solche Schichten herstellen. Chemiker der Technischen Universität München (TUM) entwickelten nun ein Halbleiter-Material, bei dem einzelne Phosphor-Atome durch Arsen ersetzt sind. Im Rahmen einer internationalen Kooperation bauten sie daraus zusammen mit amerikanischen Kollegen erstmals Feldeffekt-Transistoren.
Seit vielen Jahrzehnten ist Silizium die Basis der modernen Elektronik. Bisher konnte die Silizium-Technik für immer kleinere Geräte immer kleinere Transistoren herstellen, doch die Größe von Silizium-Transistoren stößt langsam an ihre physikalische Grenze. Silizium ist darüber hinaus hart und spröde, doch die Konsumenten hätten gerne flexible Geräte, Geräte, die sich in Kleidung einarbeiten lassen und vieles mehr. All dies hat einen Wettlauf um neue Materialien ausgelöst, die Silizium eines Tages ersetzen könnten.
Ein solches Material könnte Arsen enthaltender schwarzer Phosphor sein. Wie das Graphen, das aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen besteht, bildet es dünnste Schichten. Die Bandbreite seiner Anwendungen reicht von Transitoren, über Sensoren bis hin zu mechanisch-flexiblen Halbleiter-Bauteilen. Anders als beim Graphen, dessen elektronisches Verhalten dem von Metallen ähnelt, verhält es sich wie ein Halbleiter.
Phosphoren statt Graphen
In einer Kooperation der Technischen Universität München und der Universität Regensburg auf deutscher Seite sowie den amerikanischen Universitäten University of Southern California (USC) und Yale wurden nun erstmals Feldeffekt-Transistoren aus Arsen enthaltendem schwarzem Phosphor hergestellt. Die Verbindungen synthetisierte Marianne Köpf im Labor des Fachgebiets für Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien an der TU München. Feldeffekt-Trasistoren wurden in der Gruppe um Professor Zhou und Dr. Liu gebaut und vermessen.
Die von ihr entwickelte neue Methode ermöglicht es, schwarzes Arsen-Phosphor ohne hohen Druck zu synthetisieren. Das erfordert weniger Energie und ist billiger. Über den Arsengehalt kann die Lücke zwischen Valenz- und Leitungsband präzise eingestellt werden. „Das erlaubt es uns, Materialien mit bisher unerreichbaren elektronischen und optischen Eigenschaften in einem Energiefenster herzustellen, dass bisher nicht zugänglich war“, sagt Professor Tom Nilges, Leiter des Fachgebiets für Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien.
Detektoren für Infrarot
Bei einem Arsengehalt von 83 Prozent hat das Material eine Bandlücke von nur noch 0,15 Elektronenvolt. Aus einem solchen Material können Sensoren aufgebaut werden, die Wellenlängen im langwelligen Infrarot detektieren. In diesem Bereich arbeiten beispielsweise LiDAR-Sensoren (Light Detection and Ranging). Sie werden unter anderem in Autos als Abstandssensoren eingesetzt. Eine andere Anwendung ist die Messung von Staubteilchen und Spurengasen in der Umweltmesstechnik.
Ein weiterer interessanter Aspekt dieser neuen zweidimensionalen Halbleiter sind ihre anisotropen elektronischen und optischen Eigenschaften. Denn die Materialien zeigen unterschiedliches Verhalten entlang der x- und y-Richtung in der gleichen Ebene. Das Material kann in Schichten abgelöst werden. Die dünnsten bisher erreichten Schichten waren lediglich zwei Atomlagen dick.
Diese Arbeit wurde unterstützt vom Office of Naval Research (ONR), vom Air Force Office of Scientific Research (AFOSR), dem Center of Excellence for Nanotechnologies (CEGN) der King Abdul-Aziz City for Science and Technology (KACST), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie der TUM Graduate School.
Abb.1 – Kristalle aus halbleitendem schwarzem Arsen-Phosphor – Foto: Andreas Battenberg / TU München
Abb.2 – Rasterkraftmikroskop-Bild des Feldeffekt-Transistors aus schwarzem Arsen-Phosphor – Bild: C. Zhou und B. Liu / Viterbi School of Engineering (University of Southern California)
Abb.3 – Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Einkristalls von schwarzem Arsen-Phosphor. Im oberen Bildabschnitt sieht man eine beginnende Schichtablösung – Bild: Marianne Köpf / TU München
Quelle: Presseabteilung TU München, Dr. Andreas Battenberg
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