Halbleitende Schichten aus Phosphor und Arsen

Konkurrenz für Graphen

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.

Schwarzes Arsen-Phosphor: halbleitendes Material mit 2D-Struktur ähnlich der des Graphens hergestellt in der Arbeitsgruppe Prof. Tom Nilges. (Bild: Andreas Battenberg / TU München)

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 Silicium die Basis der modernen Elektronik. Bisher konnte die Silicium-Technik für immer kleinere Geräte immer kleinere Transistoren herstellen, doch die Größe von Silicium-Transistoren stößt langsam an ihre physikalische Grenze. Silicium 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 Silicium eines Tages ersetzen könnten.

Ein solches Material könnte Arsen enthaltender schwarzer Phosphor sein. Wie das Graphen, das aus einer einzigen Lage von Kohlenstoff-Atomen 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.

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Schwarzes Arsen-Phosphor - elektronenmikroskopische Aufnahme: Einkristall von P1-xAsx mit x = 0.83. Beginnende Delaminierung (Schichtablösung) im oberen Bildabschnitt. (Bild: Marianne Köpf)

Phosphor 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. Die Feldeffekt-Trasistoren wurden in der Gruppe um Prof. Zhou und Dr. Liu gebaut und vermessen.

Die an der TU München entwickelte neue Methode ermöglicht es, schwarzes Arsen-Phosphor ohne hohen Druck zu synthetisieren. Das erfordert weniger Energie und ist billiger. Über den Arsen-Gehalt 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, das bisher nicht zugänglich war“, sagt Prof. Tom Niges, Leiter des Fachgebiets für Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien.

Detektoren für Infrarot
Bei einem Arsengehalt von 83 % hat das Material eine Bandlücke von nur noch 0,15 eV. Aus einem solchen Material können beispielsweise Sensoren aufgebaut werden, die Wellenlängen im langwelligen Infrarot detektieren können. 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.

Publikation:
Black Arsenic-Phosphorus: Layered Anisotropic Infrared Semiconductors with Highly Tunable Compositions and Properties: Bilu Liu, Marianne Köpf, Ahmad N. Abbas, Xiaomu Wang, Qiushi Guo, Yichen Jia, Fengnian Xia, Richard Weihrich, Frederik Bachhuber, Florian Pielnhofer, Han Wang, Rohan Dhall, Stephen B. Cronin, Mingyuan Ge, Xin Fang, Tom Nilges, Chongwu Zhou. Adv. Mater., 2015, Early View. DOI: 10.1002/adma.201501758.

Kontakt:
Prof. Dr. Tom Nilges
Technische Universität München
Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien
Lichtenbergstr. 4, 85748 Garching, Germany
E-Mail: tom.nilges@lrz.tum.de
Internet: http://www.acinnomat.ch.tum.de

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