Schwarzes Arsen-Phosphor ist ein halbleitendes Material mit 2D-Struktur ähnlich der des Graphens. Hergestellt wurde diese Probe in der Arbeitsgruppe Prof. Tom Nilges.

Schwarzes Arsen-Phosphor ist ein halbleitendes Material mit 2D-Struktur ähnlich der des Graphens. Hergestellt wurde diese Probe in der Arbeitsgruppe Prof. Tom Nilges.Andreas Battenberg, TU München

Seit vielen Jahrzehnten ist Silizium die Basis der modernen Elektronik. Bisher galt Moore‘s Law, doch die Größe von Silizium-Transistoren stößt langsam an ihre physikalische Grenze. Silizium ist zudem hart und spröde und damit nicht für flexible Geräte geeignet, die sich zum Beispiel in Kleidung einarbeiten lassen. Mit Arsen enthaltendem schwarzen Phosphor könnten Entwickler diese Grenzen überwinden. Wie Graphen, das aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen besteht, bildet es dünnste Schichten. Die Bandbreite seiner Anwendungen reicht von Transitoren über Sensoren bis hin zu mechanisch-flexiblen Halbleiterbauteilen. Anders als beim Graphen, dessen elektronisches Verhalten dem von Metallen ähnelt, verhält sich Phosphoren wie ein Halbleiter.

In einer Kooperation der Technischen Universität München und der Universität Regensburg auf deutscher Seite sowie den US-amerikanischen Universitäten University of Southern California (USC) und Yale wurden nun erstmals Feldeffekttransistoren 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 Feldeffekttransistoren wurden in der Gruppe um Professor Zhou und Dr. Liu gebaut und vermessen.

Die an der TU München entwickelte Methode ermöglicht es, schwarzes Arsen-Phosphor ohne hohen Druck zu synthetisieren. Das erfordert weniger Energie und ist billiger. Über den Arsengehalt lässt sich die Lücke zwischen Valenz- und Leitungsband präzise einstellen. „Das erlaubt es uns, Materialien mit bisher unerreichbaren elektronischen und optischen Eigenschaften in einem Energiefenster herzustellen, das bisher nicht zugänglich war“, erklärt Professor Tom Niges, Leiter des Fachgebiets für Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien.

Die elektronenmikroskopische Aufnahme von schwarzem Arsen-Phosphor zeigt ein Einkristall von P1-xAsx mit x = 0,83. Im oberen Bildabschnitt ist eine beginnende Delaminierung (Schichtablösung) zu sehen.

Die elektronenmikroskopische Aufnahme von schwarzem Arsen-Phosphor zeigt ein Einkristall von P1-xAsx mit x = 0,83. Im oberen Bildabschnitt ist eine beginnende Delaminierung (Schichtablösung) zu sehen.Marianne Köpf, TU München

Infrarot-Detektoren

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. In diesem Bereich arbeiten beispielsweise Lidar-Abstandssensoren in Autos. 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: 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.