Современный мир технологий, от персональных компьютеров до смартфонов, немыслим без наноэлектроники. Эта область науки и техники занимается созданием и применением электронных компонентов крайне малых размеров. Транзисторы, сенсоры и интегральные схемы нанометрового масштаба лежат в основе вычислительной мощности и функциональности современной электроники.
Однако, традиционные материалы, используемые в полупроводниковой промышленности, такие как кремний, достигают пределов своих возможностей. Для дальнейшего увеличения эффективности и снижения энергопотребления электронных устройств, ученые активно ищут альтернативные материалы, способные превзойти кремний по ключевым характеристикам.
Одним из перспективных направлений является интеграция двумерных материалов с кремниевыми полупроводниками. Исследовательская группа из Университета в Буффало (University at Buffalo) провела новаторское исследование, посвященное именно этому подходу. Ученые изучали, как комбинирование двумерных материалов с кремнием может улучшить инжекцию и транспорт электрического заряда в полупроводниковых устройствах.
Результаты исследования, опубликованные в журнале ACS Nano в 2025 году, демонстрируют значительный потенциал двумерных материалов для развития полупроводниковых технологий нового поколения. Работа под названием «Enormous Out-of-Plane Charge Rectification and Conductance through Two-Dimensional Monolayers» (DOI: 10.1021/acsnano.4c15271) раскрывает механизм воздействия двумерных материалов на поток электрического заряда в кремниевых структурах.
Ключевым открытием стало то, что двумерные материалы оказывают существенное влияние преимущественно на инжекцию заряда, то есть на процесс ввода заряда в кремниевый полупроводник. В то же время, воздействие на коллекцию заряда, то есть на процесс вывода заряда, оказалось минимальным. Это понимание открывает новые возможности для целенаправленного улучшения энергоэффективности электронных устройств.
В исследовании участвовала международная и междисциплинарная команда ученых из Китая, Кореи, Австрии и Италии, работающая под руководством профессора Хуамина Ли (Huamin Li, Ph.D.), доцента кафедры электротехники Университета в Буффало. Соведущим автором статьи выступил профессор Фэй Яо (Fei Yao, Ph.D.), доцент кафедры материаловедения и инноваций Университета в Буффало. В числе соавторов также профессор Василий Перебейнос (Vasili Perebeinos, Ph.D.) с кафедры электротехники Университета в Буффало. Исследования проводились на базе Центра передовых полупроводниковых технологий (Center for Advanced Semiconductor Technologies) Университета в Буффало, междисциплинарного центра, специализирующегося на микроэлектронике и подготовке будущих лидеров полупроводниковой индустрии.
В качестве примера двумерного материала в исследовании был использован дисульфид молибдена (MoS2) – полупроводник. Также рассматривались другие двумерные материалы, такие как графен – полуметалл, и гексагональный нитрид бора (h-BN) – изолятор. Тончайшие слои двумерных материалов, толщиной менее одного нанометра (монослои), размещались между металлом и кремнием.
Ученые обнаружили, что размещение двумерных материалов между металлом и кремнием может значительно изменить поток электрического заряда. Этот эффект в первую очередь связан с изменением условий инжекции заряда. Точное понимание и управление транспортом заряда на границе раздела 2D и 3D материалов представляет собой серьезную научную задачу.
Несмотря на перспективность интеграции двумерных материалов и кремния, на пути к практическому применению существуют определенные трудности. Ключевым вызовом является глубокое понимание и точная настройка процессов переноса заряда на границе раздела между двумерными и трехмерными материалами.
Тем не менее, полученные результаты открывают захватывающие перспективы для разработки новых двумерных материалов, принципиально новых концепций устройств и, в конечном итоге, для создания более энергоэффективной электроники будущего.
Изображение носит иллюстративный характер
Однако, традиционные материалы, используемые в полупроводниковой промышленности, такие как кремний, достигают пределов своих возможностей. Для дальнейшего увеличения эффективности и снижения энергопотребления электронных устройств, ученые активно ищут альтернативные материалы, способные превзойти кремний по ключевым характеристикам.
Одним из перспективных направлений является интеграция двумерных материалов с кремниевыми полупроводниками. Исследовательская группа из Университета в Буффало (University at Buffalo) провела новаторское исследование, посвященное именно этому подходу. Ученые изучали, как комбинирование двумерных материалов с кремнием может улучшить инжекцию и транспорт электрического заряда в полупроводниковых устройствах.
Результаты исследования, опубликованные в журнале ACS Nano в 2025 году, демонстрируют значительный потенциал двумерных материалов для развития полупроводниковых технологий нового поколения. Работа под названием «Enormous Out-of-Plane Charge Rectification and Conductance through Two-Dimensional Monolayers» (DOI: 10.1021/acsnano.4c15271) раскрывает механизм воздействия двумерных материалов на поток электрического заряда в кремниевых структурах.
Ключевым открытием стало то, что двумерные материалы оказывают существенное влияние преимущественно на инжекцию заряда, то есть на процесс ввода заряда в кремниевый полупроводник. В то же время, воздействие на коллекцию заряда, то есть на процесс вывода заряда, оказалось минимальным. Это понимание открывает новые возможности для целенаправленного улучшения энергоэффективности электронных устройств.
В исследовании участвовала международная и междисциплинарная команда ученых из Китая, Кореи, Австрии и Италии, работающая под руководством профессора Хуамина Ли (Huamin Li, Ph.D.), доцента кафедры электротехники Университета в Буффало. Соведущим автором статьи выступил профессор Фэй Яо (Fei Yao, Ph.D.), доцент кафедры материаловедения и инноваций Университета в Буффало. В числе соавторов также профессор Василий Перебейнос (Vasili Perebeinos, Ph.D.) с кафедры электротехники Университета в Буффало. Исследования проводились на базе Центра передовых полупроводниковых технологий (Center for Advanced Semiconductor Technologies) Университета в Буффало, междисциплинарного центра, специализирующегося на микроэлектронике и подготовке будущих лидеров полупроводниковой индустрии.
В качестве примера двумерного материала в исследовании был использован дисульфид молибдена (MoS2) – полупроводник. Также рассматривались другие двумерные материалы, такие как графен – полуметалл, и гексагональный нитрид бора (h-BN) – изолятор. Тончайшие слои двумерных материалов, толщиной менее одного нанометра (монослои), размещались между металлом и кремнием.
Ученые обнаружили, что размещение двумерных материалов между металлом и кремнием может значительно изменить поток электрического заряда. Этот эффект в первую очередь связан с изменением условий инжекции заряда. Точное понимание и управление транспортом заряда на границе раздела 2D и 3D материалов представляет собой серьезную научную задачу.
Несмотря на перспективность интеграции двумерных материалов и кремния, на пути к практическому применению существуют определенные трудности. Ключевым вызовом является глубокое понимание и точная настройка процессов переноса заряда на границе раздела между двумерными и трехмерными материалами.
Тем не менее, полученные результаты открывают захватывающие перспективы для разработки новых двумерных материалов, принципиально новых концепций устройств и, в конечном итоге, для создания более энергоэффективной электроники будущего.
