Germanio, un semiconductor elemental, fue el material de elección en la historia temprana de los dispositivos electrónicos, antes de que fuera reemplazado en gran parte por silicio. Pero debido a su alta movilidad del portador de carga, más alta que el silicio en tres veces, el semiconductor está regresando.

El germanio (Ge) generalmente se cultiva en sustratos monocristalinos costosos, agregando otro desafío para hacerlo sosteniblemente viable para la mayoría de las aplicaciones. Para abordar este aspecto, Los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer en los Estados Unidos demuestran un método de epitaxia que incorpora las fuerzas de van der Waals para hacer crecer Ge en mica. Las aplicaciones podrían incluir circuitos integrados avanzados y células solares de alta eficiencia.

"Esta es la primera vez que se ha demostrado en mica la epitaxia de van der Waals sin deformaciones de un semiconductor elemental, "dijo Aaron Littlejohn, Investigador de RPI y coautor del artículo que demuestra el trabajo, publicado recientemente en el Revista de física aplicada .

El crecimiento de capas de película cristalina sobre sustratos cristalinos (llamado epitaxia) es omnipresente en la fabricación de semiconductores. Si la película y los materiales del sustrato son los mismos, luego, las capas perfectamente emparejadas forman fuertes enlaces químicos para una movilidad óptima del portador de carga.

Capa de diferentes materiales de manera efectiva, sin embargo, es un desafío porque las celosías de cristal normalmente no se alinean. Para evitar esto los investigadores emplearon fuerzas vdW, fenómenos que se basan en la naturaleza probabilística de los electrones, que no están en una posición fija alrededor de un núcleo. Bastante, pueden estar en cualquier lugar, y la probabilidad de que se distribuyan de manera desigual existe casi todo el tiempo. Cuando esto pasa, hay un dipolo inducido:una ligera carga positiva en un lado y una ligera carga negativa en el lado opuesto. Esto produce interacciones débilmente atractivas entre átomos neutros.

Los investigadores eligieron la mica como sustrato sobre el que cultivar la película de Ge debido a su superficie atómicamente lisa, que está libre de enlaces colgantes (electrones de valencia no apareados). Esto aseguró que no se produciría ningún enlace químico durante el proceso de epitaxia de vdW.

En lugar de, La interfaz de los materiales se mantiene unida a través de fuerzas vdW débiles. Esto permite el crecimiento de una película relajada a pesar de las estructuras cristalinas dramáticamente diferentes de los dos materiales que tienen una diferencia del 23 por ciento en los espaciamientos atómicos. Además de aliviar las limitaciones del emparejamiento de celosía, La epitaxia vdW permite que la película de Ge se exfolie mecánicamente de la superficie de la mica y quede sola como una película sin sustrato.

"Nuestra película de Ge podría utilizarse como nanomembrana de película delgada, que podrían integrarse en dispositivos electrónicos más fácilmente que los nanocristales o nanocables, ", Dijo Littlejohn." También podría servir como sustrato para la posterior deposición de materiales adicionales para transistores flexibles y células solares, o incluso optoelectrónica portátil ".

Se cultivaron películas de geranio de aproximadamente 80 nanómetros de espesor sobre sustratos de mica moscovita a escala milimétrica de 0,26 mm de espesor. Variando la temperatura del sustrato durante la deposición y el recocido en el rango de 300 a 500 grados Celsius, los investigadores encontraron que la red cristalina se estabiliza a unos 425 grados Celsius.

"Investigaciones anteriores implican que los semiconductores elementales no se pueden cultivar epitaxialmente en mica usando fuerzas vdW a cualquier temperatura elevada, pero ahora hemos demostrado lo contrario, ", Dijo Littlejohn." Con el éxito de nuestra película Ge cultivada en mica a una temperatura práctica, anticipamos que otros materiales elementales o aleados no estratificados pueden cultivarse en mica a través de la epitaxia vdW ".