ملخصات الأبحاث

استخدام أغشية من مادة البيروفسكايت كطبقات عازلة في الترانزستورات ثنائية الأبعاد

.J. Huang et al

  • Published online:

على مدى عقود، كان تغيير حجم ترانزستورات تأثير المجال المصنوعة من السيليكون، والقائمة على أشباه الموصلات ذات الأكاسيد المعدنية، مرهونًا بقانون «مور»، إلا أن ترقيق مادة السيليكون في مرحلة تصنيع أشباه الموصلات التي يقل حجمها عن عشرة نانومترات تصاحبه مشكلات، مثل مشكلة تيارات التسرب. ومن جهة أخرى، اكتسبت أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد متعددة الطبقات – بفضل سُمكها الذري – مقدرة فائقة على اختراق المجال الكهربائي وبوابة الترانزستور، ومن ثم أهميةً بوصفها مواد ملائمة لصناعة قنوات الترانزستورات في المستقبل. غير أنه قد تبيَّن أن دمج مواد ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ مع مواد ثنائية الأبعاد، مع مراعاة تغيير مقدار سُمك هذه المواد المكافئ للسعة خلال هذه العملية، ليس من السهولة بمكان.

في هذا البحث المنشور، يدرس الباحثون إمكانية استخدام أغشية مصنوعة من مادة البيروفسكايت (وهي التي تحتوي على أكسيد التيتانيوم والسترونشيوم، وتتسم بكونها قابلة للنقل، وبأنها ذات بلورات مفردة، وثابت عزل كهربائي فائق) في تصميم عوازل لبوابات ترانزستورات تأثير المجال ثنائية الأبعاد. وتَبيَّن من الدراسة أن مقدار السُمك المكافئ للسعة في أغشية البيروفسكايت يعادل المقدار المنشود عند أقل من نانومتر واحد، فضلًا عن الانخفاض المصاحب لذلك في نسبة تيار التسرُّب (أقل من 2-10 أمبير لكل سنتيمتر مربع عند 2.5 ميجافولت لكل سنتيمتر). ولاحظ الباحثون أنَّ «فجوة فان دير فالس» بين شبه الموصل المصنوع من أكسيد التيتانيوم والسترونشيوم SrTiO3 وشبه الموصل ثنائي الأبعاد تُخفِّف من وطأة ظاهرة تأثير خفض حاجز الجهد الناجم عن كل من تكوين الحواف، واستخدام عوازل ذات ثابت عزل كهربائي فائق.

ومن المعلوم أنَّ الترانزستورات النموذجية ذات القنوات القصيرة، والمصنوعة من عوازل مكونة من ثاني كبريتيد الموليبدينوم وأكسيد التيتانيوم والسترونشيوم، وتتسم بأن سُمكها قابل للتغيير، وتشكلت عن طريق ترسيب البخار الكيميائي، عادةً ما تَظهر فيها انحدارات عميقة لما دون عتبات الجهد، وصولًا إلى حوالي 70 ملّي فولت لكل عقد، بالإضافة إلى معدل تسريب في التيارات بين حالتي التشغيل والإطفاء يصل إلى 107، وهو ما يتوافق مع مواصفات الطاقة المنخفضة التي طرحَتْها أحدث استراتيجية دولية للأجهزة والأنظمة.

الشكل 1 | إعداد طبقات أحادية البلورات وقائمة بذاتها من أكسيد التيتانيوم والسترونشيوم، ووتوصيفهاأ) رسم توضيحي تخطيطي لعمليات نقل الأغشية الرقيقة التي توجد فوق طبقة أكسيد تيتانيوم السترونتيوم على الركيزة المُستهدَفة. ب) صورة فوتوغرافية لنموذج ملّيمتري الحجم لغشاء من أكسيد التيتانيوم والسترونشيوم المنقول القائم بذاته على طبقة سفلية مُنمَّطة سلفًا من السيليكون وثاني أكسيد السيليكون. طول شريط المقياس 5 ملّيمترات. ج) صور مجهرية بصرية لأغشيةٍ من أكسيد التيتانيوم والسترونشيوم على درجات مختلفة من السُمك قياسًا إلى حجم الخلية المفردة، وتظهر على رقائق من السيليكون وثاني أكسيد السيليكون سُمكها 300 نانومتر. طول أشرطة المقياس 25 ميكرومترًا. د، هـ) صورتان مُلتقطتان من منظور علوي بالمجهر الإلكتروني النافذ مُظلم الحقل لغشاء أكسيد التيتانيوم والسترونشيوم، الذي يبلغ سُمكه خمسًا من الخلايا المفردة. طول شريطي المقياس نانومتران في (د)، ونانومتر واحد في (هـ). توضح الصورة نمط حيود المنطقة المختارة المكافئ. طول شريط المقياس 5 نانومترات-1.و) بنية شبكية مكعبة لأكسيد التيتانيوم والسترونشيوم.

الشكل 1 | إعداد طبقات أحادية البلورات وقائمة بذاتها من أكسيد التيتانيوم والسترونشيوم، ووتوصيفهاأ) رسم توضيحي تخطيطي لعمليات نقل الأغشية الرقيقة التي توجد فوق طبقة أكسيد تيتانيوم السترونتيوم على الركيزة المُستهدَفة. ب) صورة فوتوغرافية لنموذج ملّيمتري الحجم لغشاء من أكسيد التيتانيوم والسترونشيوم المنقول القائم بذاته على طبقة سفلية مُنمَّطة سلفًا من السيليكون وثاني أكسيد السيليكون. طول شريط المقياس 5 ملّيمترات. ج) صور مجهرية بصرية لأغشيةٍ من أكسيد التيتانيوم والسترونشيوم على درجات مختلفة من السُمك قياسًا إلى حجم الخلية المفردة، وتظهر على رقائق من السيليكون وثاني أكسيد السيليكون سُمكها 300 نانومتر. طول أشرطة المقياس 25 ميكرومترًا. د، هـ) صورتان مُلتقطتان من منظور علوي بالمجهر الإلكتروني النافذ مُظلم الحقل لغشاء أكسيد التيتانيوم والسترونشيوم، الذي يبلغ سُمكه خمسًا من الخلايا المفردة. طول شريطي المقياس نانومتران في (د)، ونانومتر واحد في (هـ). توضح الصورة نمط حيود المنطقة المختارة المكافئ. طول شريط المقياس 5 نانومترات-1.و) بنية شبكية مكعبة لأكسيد التيتانيوم والسترونشيوم. 

كبر الصورة