Singapore University Großes Rätsel im Bereich der Elektronik aus 2D-Material gelöst

Schematische Darstellung einer lateralen (links) und vertikalen (rechts) Schottky-Diode auf Basis eines 2D-Materials. Für breitgefächerte Kategorien von 2D-Materialien lässt sich das Verhältnis von Strom zu Temperatur universell durch einen Skalierungsexponenten von 3/2 bzw. 1 für laterale und vertikale Schottky-Dioden beschreiben.
Schematische Darstellung einer lateralen (links) und vertikalen (rechts) Schottky-Diode auf Basis eines 2D-Materials. Für breitgefächerte Kategorien von 2D-Materialien lässt sich das Verhältnis von Strom zu Temperatur universell durch einen Skalierungsexponenten von 3/2 für laterale bzw. 1 und vertikale Schottky-Dioden beschreiben.

Viele forschen zu elektronischen Bauelementen aus 2D-Materialien, zum Beispiel Schottky-Dioden. Doch in der Literatur existieren nebeneinander mehrere, einander widersprechende theoretische Modelle. Nun glauben Wissenschaftler aus Singapur, diese verschiedenen Theorien vereinigt zu haben.

Schottky-Dioden aus zweidimensionalen Materialien wie Graphen haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit bei den Forschern auf sich gezogen. Grund dafür ist ihr großes Potenzial für die Anwendung in Transistoren, Gleichrichtern, Hochfrequenzgeneratoren, Logikgattern, Solarzellen, chemischen Sensoren, Fotodetektoren oder flexibler Elektronik.

Doch das Verständnis von Schottky-Dioden aus 2D-Material ist von mehreren Geheimnissen umwittert. So existieren in der Literatur nebeneinander mehrere theoretische Modelle, und oft verschiedene Forscherteams wählen ein Modell a priori ohne sorgfältige Begründung aus. Nicht selten wird ein Modell, dessen zugrunde liegende Physik grundsätzlich den physikalischen Eigenschaften von 2D-Materialien widerspricht, zur Analyse einer derartigen Schottky-Diode eingesetzt.

Forscher der Singapore University of Technology and Design (SUTD) wollen einen bedeutenden Schritt bei der Lösung der Rätsel um Schottky-Dioden aus 2D-Material getan haben. Durch die Anwendung einer konsequenten theoretischen Analyse entwickelten sie eine neue Theorie, um verschiedene Varianten von Schottky-Dioden aus 2D-Material unter einem einheitlichen Rahmen zu beschreiben. Diese neue Theorie ist in ihrem Beitrag »Universal Scaling Laws in Schottky Heterostrukturen Based on Two-Dimensional Materials« in Physical Review Letters erschienen und legt eine Grundlage, um bisherige widersprüchliche Modelle zu vereinen und damit eine große Unstimmigkeit in der 2D-Materialelektronik zu beseitigen.

Skalierungsgesetze in Schottky-Heterostrukturen

»Ein besonders bemerkenswertes Ergebnis ist, dass der elektrische Strom, der über ein 2D-Material fließt, der Schottky-Diode einem universellen Skalierungsgesetz für viele Arten von 2D-Materialien folgt«, sagte Erstautor Dr. Yee Sin Ang von der SUTD.

Das universelle Skalierungsgesetz ist in der Physik sehr bedeutsam, da es ein zweckmäßiges »Schweizer Taschenmesser« liefert, um das Innenleben eines physikalischen Systems zu entschlüsseln. Das universelle Skalierungsgesetz findet sich in vielen Bereichen der Physik, beispielsweise bei Halbleitern, Supraleitern, Strömungsdynamik, mechanischen Frakturen und sogar in komplexen Systemen wie der Lebenserwartung von Tieren, Wahlergebnissen, Transportwesen und Städtewachstum.

Das universelle Skalierungsgesetz, das die Forscher der SUTD entdeckt haben, beschreibt, wie der elektrische Strom mit der Temperatur variiert und ist für die verschiedensten Kategorien von 2D-Systemen anwendbar, darunter Halbleiter-Quantentöpfe, Graphen, Silicen, Germanen, Stanen, Übergangsmetall-Dichalcogenide und Dünnschichten von topologischen Feststoffen.

»Die einfache mathematische Form des Skalierungsgesetzes ist besonders nützlich für anwendungsorientierte Wissenschaftler und Ingenieure bei der Entwicklung neuartiger 2D-Materialelektronik«, sagt Co-Autorin Prof. Hui Ying Yang von der SUTD. Diese Skalierungsgesetze liefern ein einfaches Werkzeug, um die Höhe der Schottky-Barriere zu extrahieren – eine physikalische Größe, die für die Performance-Optimierung von 2D-Materialelektronik ausschlaggebend ist.

»Die neue Theorie hat weitreichende Auswirkungen auf die Festkörperphysik«, glaubt Mitautor und wissenschaftlicher Leiter dieser Forschung, Prof. Lay Kee Ang von der SUTD, »Sie kennzeichnet den Zusammenbruch der klassischen Shockley-Gleichung, die in den letzten 60 Jahren für traditionelle Materialien weit verbreitet war, und soll unser Verständnis dafür verbessern, wie man eine bessere 2D-Materialelektronik entwirft.«

Originalpublikation

Yee Sin Ang, Hui Ying Yang, and L. K. Ang, Universal Scaling Laws in Schottky Heterostructures Based on Two-Dimensional Materials, Phys. Rev. Lett. 121, 056802, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.056802