Trong những năm gần đây, nhiều vật liệu khác nhau đã được tổng hợp và sử dụng để thực hiện vận chuyển điện tích lưỡng cực và các ứng dụng mới, nổi bật hơn hết là: transistor nhớ lưỡng cự
TỔNG QUAN VỀ AMBIPOLAR TRANSISTOR
Giới Thiệu Về Ambipolar Transistor
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mạng và trí tuệ nhân tạo (AI), hệ thống điện tử kết nối với Internet vạn vật (IoT) đang thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng học thuật và công nghiệp Để thực hiện các chức năng phức tạp, các thành phần điện tử cơ bản cần hoạt động như các khối hệ thống chức năng, trong đó transistor đóng vai trò là nền tảng quan trọng nhất trong các thiết bị và sản phẩm điện tử hiện đại.
Kể từ những năm 1950, transistor đã thay thế ống chân không và trở thành nền tảng cho việc sản xuất hàng loạt mạch tích hợp và bộ vi xử lý Với ưu điểm chi phí thấp, linh hoạt và độ tin cậy cao, transistor đã cách mạng hóa ngành điện tử, giúp thiết bị điện tử trở nên nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí và hiệu quả hơn.
Theo đặc tính chuyển mạch (switching characteristic) và các hạt tải điện chiếm ưu thế trong chất bán dẫn, tính phân cực của transistor được phân loại là:
• Đơn cực (loại p do lỗ trống chi phối hoặc loại n do các electron chi phối)
• Lưỡng cực (lỗ trống và electron đóng góp tương đương nhau)
Transistor lưỡng cực tích hợp hiệu suất điện p và n-type trong một thiết bị duy nhất, thu hút sự chú ý và thảo luận từ các nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực như hóa học hữu cơ và khoa học thiết bị.
Mặc dù lý thuyết cho thấy các chất bán dẫn có khả năng di chuyển cả lỗ trống và electron, phần lớn các transistor hiện nay vẫn chỉ thể hiện sự vận chuyển điện tích đơn cực Để chế tạo các transistor lưỡng cực hiệu suất cao với độ linh động tải điện lớn, tỷ lệ bật/tắt cao và điện áp ngưỡng thấp, cần lựa chọn vật liệu bán dẫn có khoảng cách độ rộng vùng cấm nhỏ, bề mặt phẳng và không có vết xước hay gãy nứt, đồng thời đảm bảo các điện cực tiếp xúc tốt với rào cản tiếp điện tích.
Trong những năm gần đây, nhiều loại vật liệu bán dẫn như phân tử hữu cơ nhỏ, polyme liên hợp, vật liệu 2D và vật liệu hybrid hữu cơ - vô cơ đã được áp dụng cho việc vận chuyển điện tích lưỡng cực và các ứng dụng mới Transistor lưỡng cực cho phép vận chuyển cả hai loại hạt tải điện đồng bộ, giúp đơn giản hóa việc chế tạo bộ đảo CMOS với chế độ đơn cực có thể kiểm soát Hơn nữa, việc phát triển transistor phát quang lưỡng cực tích hợp cả tính chất chuyển mạch và khả năng phát sáng vào một thiết bị đơn lẻ cũng mang lại hiệu quả cao hơn.
Transistor ambipolar, với việc bổ sung hai lớp cổng nổi và điện môi hầm, có khả năng hoạt động như bộ nhớ flash với cửa sổ bộ nhớ lớn hơn nhờ vào cơ chế “trapping/detrapping” và sự dịch chuyển ngưỡng điện áp hai chiều Hơn nữa, sự tương đồng giữa dòng chảy của chất dẫn truyền thần kinh trong khe synap và quá trình vận chuyển, bẫy hạt tải điện mở ra tiềm năng cho transistor lưỡng cực trong việc mô phỏng synap nhân tạo, góp phần vào tính toán neuromorphic trong trí tuệ nhân tạo.
Bài đánh giá này cung cấp cái nhìn tổng quan về transistor lưỡng cực, bao gồm cấu trúc, nguyên tắc hoạt động, và các vật liệu bán dẫn như vật liệu hữu cơ, vật liệu 2D và vật liệu hybrid vô cơ- hữu cơ Nó nhấn mạnh các ứng dụng của transistor lưỡng cực trong bộ nhớ flash, transistor synap nhân tạo, thiết bị logic và transistor phát quang Bên cạnh đó, bài viết cũng đề cập đến các thách thức và triển vọng trong phát triển và ứng dụng transistor lưỡng cực trong lĩnh vực điện tử in trong tương lai.
Hình 1.1 Sơ đồ khái quát về transistor ambipolar dựa trên các vật liệu đa dạng và ứng dụng tiềm năng của chúng.
VẬT LIỆU BÁN DẪN
Phân loại chất bán dẫn
Chất bán dẫn được phân loại theo cấu tạo của nó, với kiến trúc của transistor lưỡng cực được chia thành ba loại chính: đơn thành phần, hỗn hợp và hai lớp.
Các vật liệu hữu cơ đơn thành phần với mức năng lượng và diện tích tiếp xúc phù hợp, cùng với đặc tính vận chuyển điện tích lưỡng cực, có thể được sử dụng độc lập Hơn nữa, chỉ cần một vật liệu duy nhất cũng có thể đảm nhiệm chức năng vận chuyển và tích tụ electron cũng như lỗ trong kênh bán dẫn.
Màng mỏng của hỗn hợp polyme bán dẫn, hỗn hợp và vật liệu composite có thể đạt hiệu suất lưỡng cực thông qua quá trình xử lý dung dịch và đồng bay hơi chân không Việc kiểm soát hình thái của hỗn hợp là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất vận chuyển lưỡng cực.
Cấu hình hai lớp của vật liệu 2D với cấu trúc dị hướng van der Waals thường bao gồm hai lớp bán dẫn loại p và n xếp chồng lên nhau, cho phép quá trình truyền electron và lỗ trống một cách hiệu quả Thứ tự lắng đọng, độ dày của màng và đặc biệt là giao diện p/n đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự vận chuyển cân bằng tốt giữa hai loại hạt tải điện.
Hình 2.1 Các kiến trúc phổ biến nhất của transistor ambipolar bao gồm thành phần đơn
(trái), hỗn hợp (giữa) và lớp kép (phải)
Trong bài viết này, transistor lưỡng cực được phân loại theo ba loại vật liệu: hữu cơ, vô cơ và hybrid hữu cơ - vô cơ Phân loại này phù hợp với kiến trúc của transistor lưỡng cực, vì mỗi hệ thống vật liệu đều chứa và thể hiện ba cấu trúc của transistor lưỡng cực.
Our report focuses specifically on the field of inorganic materials, highlighting inorganic semiconductor materials such as Molybdenum Dichalcogenides (MoS2, MoTe2, MoSe2), Tungsten Dichalcogenides (WS2, WSe2, WTe2), Black Phosphorus, other 2D materials, 1D materials, and Organic-Inorganic Hybrid Materials.
Molybdenum Dichalcogenides (MoS2, MoTe2, and MoSe2)
Vật liệu lớp TMD (Transition Metal Dichalcogenides) có công thức chung MX2, trong đó M là kim loại chuyển tiếp và X là nguyên tố chalcogen, đã được nghiên cứu nhiều trong công nghệ nano điện tử MoS2 dạng 2H là một hợp chất TMD bán dẫn điển hình với độ rộng vùng cấm từ 1,2 eV (trạng thái không trực tiếp) đến 1,9 eV (trạng thái bù trực tiếp cho lớp mỏng) Tính chất quang của MoS2 phụ thuộc vào độ dày, cho phép hấp thụ quang điều chỉnh và hiệu suất điện tốt Khi sử dụng trong transistor, độ di động của MoS2 có thể đạt trên 200 và 500 cm2 V−1 s−1 nhờ vào màng dielectric có hằng số điện môi cao Tỷ lệ bật/tắt của các thiết bị này vượt quá 10^6, khiến transistor lưỡng cực dựa trên MoS2 dạng 2H trở thành một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn.
Có nhiều phương pháp để thay đổi tính điện tử của MoS2 nhằm tạo ra đặc tính lưỡng cực, bao gồm việc tạo lớp phủ mới và thay đổi môi trường Nhờ vào tính ổn định hóa học của MoS2, phương pháp phổ biến nhất là sử dụng transistor electric double-layer (EDL), trong đó chất lỏng ion được đưa lên bề mặt MoS2 Lớp phủ ion này hoạt động như một cổng trên và có khả năng tạo ra lớp electric double layer mỏng chỉ vài nanomet dưới điện áp thấp, mang lại hiệu điện dung lớn và giảm điện áp cổng vận hành một cách đáng kể.
Các điện cực hai lớp (double layer electric) có khả năng gây ra hiện tượng truyền dẫn lưỡng cực, dẫn đến việc tích tụ mật độ cực lớn của các vận chuyển trong cả vùng dẫn và vùng hóa trị.
TMDs.[33] Kết quả là các transistor lưỡng cực dựa trên TMDs có thể được sản xuất thành công với tỷ lệ dòng bật/tắt cao
Nghiên cứu cho thấy rằng mảnh MoS2 mỏng có khả năng truyền dẫn lưỡng cực thông qua cổng chất lỏng ion, với độ di động cao cho cả electron (44 cm² V⁻¹ s⁻¹) và lỗ trống (86 cm² V⁻¹ s⁻¹), khác với MoS2 khối loại n.
Tỷ lệ dòng bật/tắt của transistor lưỡng cực có thể đạt tới 10^2 cho cả truyền dẫn lỗ trống và electron Việc sử dụng tài nguyên chất lỏng ion đông lạnh mở ra cơ hội tạo hoặc loại bỏ vùng p-n junction thông qua việc kiểm soát nhiệt độ hoạt động Sự di chuyển của ion trong chất lỏng ion (DEME-TFSI) được cố định khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển tiếp kính, dẫn đến việc hình thành p-n junction dưới tác động của trường điện giữa các điện cực Các junction này thể hiện đặc tính chỉnh lưu rõ ràng khi được hình thành trong các điều kiện ban đầu khác nhau.
Hình 2.2 Hinh 6 Quá trình điều chỉnh hành vi điện của MoS2 2D bằng kỹ thuật EDLT và
Việc tạo ra p-n junction trong kênh mỏng MoS2 một lớp hứa hẹn sẽ thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị optoelectronic Sử dụng chất lỏng ion có thể mang lại nhiều lợi ích cho quá trình này.
Nghiên cứu cho thấy rằng việc giảm độ dày của màng ngăn Schottky tại các tiếp xúc MoS2/kim loại có thể nâng cao đáng kể hiệu suất lưỡng cực Perera và các đồng nghiệp đã công bố rằng các transistor lưỡng cực đạt tỷ lệ dòng bật/tắt lên đến hơn 10^7 cho electron và 10^4 cho lỗ trống Đặc biệt, độ di động electron của các transistor này vượt quá 60 cm² V−1 s−1.
250 K Tất cả những kết quả này khuyến khích tiềm năng ứng dụng hứa hẹn của mảnh MoS2 mỏng trong các thiết bị optoelectronic
Việc sản xuất mảnh mỏng 2D trên diện tích lớn chủ yếu được thực hiện thông qua phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD), mở ra tiềm năng cho các ứng dụng thương mại Do đó, sản xuất transistor lưỡng cực dựa trên mảnh mỏng 2D với quy mô lớn bằng phương pháp CVD là rất quan trọng.
Ponomarev và các đồng nghiệp đã chứng minh rằng mảnh mỏng MoS2 được tạo ra bằng phương pháp CVD có thể ứng dụng trong các transistor EDL lưỡng cực Họ cũng quan sát thấy sự phát quang điện từ thiết bị do quá trình tái kết hợp exciton trong mảnh mỏng MoS2 Những kết quả này giúp xác định các trạng thái trong khoảng cách năng lượng, có khả năng phục vụ như các trạng thái hấp thụ điện tử, đồng thời cung cấp phương pháp điều khiển và mở rộng để chế tạo các transistor diện tích lớn.
Gần đây, việc áp dụng điều khiển bằng điện giải và chất lỏng ion đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực siêu dẫn Ye và cộng sự đã phát hiện hình cầu siêu dẫn trong mảnh MoS2 thông qua kỹ thuật lớp kép điện, mở ra khả năng siêu dẫn điều khiển bằng cổng Tiếp theo, Li và đồng nghiệp đã chứng minh rằng các tính chất siêu dẫn có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng cổng điện giải.
Costanzo và các cộng sự đã lần đầu tiên chứng minh ranh giới siêu dẫn liên tục trong mảnh MoS2 thông qua việc sử dụng cổng chất lỏng ion đông cứng Nghiên cứu của Jin và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng cả hai loại người mang điện tử đều tồn tại trong transistor lớp kép điện Những kết quả này cho thấy khả năng thực hiện các ứng dụng mới trong công nghệ điện tử.
Siêu dẫn lưỡng cực trong vật liệu lớp 2 chiều bao gồm siêu dẫn loại n, nơi điện tử chiếm ưu thế, và siêu dẫn loại p, nơi lỗ trống chiếm ưu thế Việc nghiên cứu và phát triển các loại siêu dẫn này mở ra tiềm năng lớn trong ứng dụng công nghệ và vật liệu mới.
Sự kết hợp giữa kỹ thuật cổng chất lỏng ion tiên tiến và tính chất lưỡng cực của vật liệu lớp 2 chiều có thể thúc đẩy sự phát triển trong lĩnh vực siêu dẫn lưỡng cực, mở ra nhiều ứng dụng mới trong điện tử.
Thay đổi substrate của transistor màng mỏng là một phương pháp quan trọng để cải thiện hiệu suất điện Sự không tuân thủ giữa vật liệu chuyển tiếp (TMDs) và substrate, bao gồm sự không tuân thủ ngắn hạn và dài hạn do độ nhám và liên kết hóa học, có thể làm giảm khả năng di chuyển của hạt dẫn Ngược lại, hiệu ứng chắn điện có thể tăng cường khả năng di chuyển này Một ví dụ điển hình là việc sử dụng lớp PMMA để đạt được tính chất lưỡng cực của MoS2; nghiên cứu của Bao và đồng nghiệp cho thấy MoS2 nhiều lớp trên PMMA có khả năng dẫn truyền hạt dẫn mang lưỡng cực, trong khi trên SiO2 chỉ thể hiện hiệu suất một cực Khả năng di chuyển của điện tử có thể đạt tới 470 cm² V⁻¹ s⁻¹ và của lỗ trống lên tới 480 cm² V⁻¹ s⁻¹.
Việc doping hóa học loại p vào mảnh MoS2 đã được nghiên cứu để cải thiện tính chất điện của vật liệu này Choi và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng hạt nhân MoOx (doping oxy) có khả năng tiếp lỗ vào bề mặt MoS2, điều này có thể dẫn đến sự phát triển các đặc tính lưỡng cực cho vật liệu.
Tungsten Dichalcogenides (WS2, WSe2, and WTe2)
Tungsten disulfide (WS2) là một vật liệu lớp TMD phổ biến với bandgap gián tiếp lần lượt là 1.0, 2.14 và 1.82 eV cho các cấu trúc bulk, một lớp và hai lớp Nghiên cứu của Hwang và cộng sự cho thấy mảnh mỏng WS2 được chế tạo bằng kỹ thuật CVD có tính chất lưỡng cực và tỷ lệ dòng bật/tắt cao khoảng 10^5 trong transistor Schottky-barrier Ngoài ra, mảnh mỏng WS2 tách cơ học bằng kỹ thuật EDL cũng thể hiện tính lưỡng cực, với độ di chuyển khoảng 20.
Độ di chuyển của các chất mang trong transistor dựa trên WS2 là rất quan trọng, với giá trị khoảng 20 cm² V⁻¹ s⁻¹ cho điện tử và 90 cm² V⁻¹ s⁻¹ cho lỗ trống Nghiên cứu cho thấy độ dày của mảnh mỏng WS2 ảnh hưởng đến đặc điểm vận chuyển không đối xứng và các giá trị độ di chuyển Cụ thể, WS2 một lớp có độ di chuyển khoảng 44 cm² V⁻¹ s⁻¹ cho điện tử và 43 cm² V⁻¹ s⁻¹ cho lỗ trống, trong khi WS2 hai lớp cho thấy sự giảm đáng kể, với độ di chuyển điện tử chỉ còn 19 cm² V⁻¹ s⁻¹ và lỗ trống là 12 cm² V⁻¹ s⁻¹ Hiện tượng tương tự cũng được ghi nhận trong các thiết bị dựa trên MoSe2.
Tungsten diselenide (WSe2) là một thành phần quan trọng trong các bán dẫn lớp TMD, nổi bật với tính chất lưỡng cực và độ di chuyển lỗ cao (≈ 250 cm2 V−1 s−1) Khi được sử dụng trong transistor với các điện cực tiếp xúc khác nhau, WSe2 cho thấy độ di chuyển điện tử thấp và tỷ lệ dòng bật/tắt cao (>10^6) Bandgap của WSe2 thay đổi tùy theo độ dày, với giá trị 1.02 eV cho dạng bulk và 1.63 eV cho dạng một lớp Đặc tính lưỡng cực của nó có thể được điều chỉnh thông qua nhiệt độ hoạt động, cách điện cổng trên đầu (P(VDF-TrFE)) và độ dày kênh của WSe2.
Gần đây, Pudasaini và đồng nghiệp đã phát triển một kiểu nạp điều khiển trong FETs dựa trên kênh bán dẫn WSe2 và liên kết Cr/Au bằng cách điều chỉnh độ dày của kênh bán dẫn và sử dụng xử lý bề mặt plasma oxy từ xa Việc thay đổi độ dày của kênh bán dẫn cho phép hiệu suất vận chuyển của transistor WSe2 chuyển từ loại n (lớn hơn 5 nm) sang loại lưỡng cực (khoảng 4 nm) hoặc loại p (nhỏ hơn 3 nm), nhờ vào sự biến đổi của các khoảng năng lượng và sự lệch dải mang chất mang trong WSe2.
Bằng cách sử dụng xử lý plasma oxy từ xa, độ di chuyển lỗ trống có thể tăng lên ba bậc đơn vị, đồng thời phương pháp này cũng có thể áp dụng trong các TMD khác để kiểm soát hiệu quả loại chất mang Bộ phim mỏng WSe2 được chuẩn bị bằng phương pháp MBE với quá trình tăng trưởng epitaxial theo lớp đã thể hiện tính chất lưỡng cực Sử dụng cổng kép để điều chỉnh mật độ chất mang ở hai mặt của lớp WSe2 cho phép đạt được hiệu suất ambipolar thông qua việc điều chỉnh điện áp cổng kép.
21 trong các chế độ dẫn điện khác nhau (cấu hình NN, PP, PN và NP) do doping tĩnh điện.[13]
Quá trình điều chỉnh hành vi điện của vật liệu WSe2 hai chiều (2D) được thực hiện thông qua kỹ thuật dual-bottom-gate (kỹ thuật ED) Kỹ thuật này cho phép tối ưu hóa các đặc tính điện của vật liệu, mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghệ điện tử.
BP hai chiều (2D) với các kim loại tiếp xúc khác nhau
Tungsten ditelluride (WTe2) là một bán dẫn lớp TMD độc đáo, nổi bật với tính chất dẫn truyền ambipolar nhờ sự cân bằng hoàn hảo giữa dải electron và dải lỗ trống Hiện tượng này được thể hiện rõ trong các transistor khi áp dụng từ trường dương, dẫn đến hiện tượng tăng trưởng từ tính (MR).
Ngoài molybdenum dichalcogenides và tungsten dichalcogenides, còn có nhiều vật liệu TMD khác như PtSe2, cho thấy tính chất lưỡng cực đặc biệt PtSe2 cho thấy sự chuyển đổi mạnh mẽ từ bán dẫn sang bán dẫn bán kim loại phụ thuộc vào số lớp Khi được sử dụng trong FETs, PtSe2 đạt độ di chuyển điện tử cao tới 210 cm2 V−1 s−1 ở nhiệt độ phòng Sau khi tối ưu hóa độ dày, transistor PtSe2 thể hiện dẫn chất mang lưỡng cực cân bằng Điều này mở ra hy vọng cho sự phát triển thành công hơn nữa của transistor ambipolar dựa trên TMD với độ di chuyển cao hơn.
Photpho đen (BP)
Photpho đen là một chất bán dẫn 2D tiên tiến, thu hút sự quan tâm lớn nhờ vào nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực quang điện và điện tử Chất liệu này được sử dụng trong các thiết bị như bộ tách sóng quang và bóng bán dẫn, mở ra nhiều cơ hội phát triển công nghệ mới.
BP nổi lên với nhiều ưu điểm như:
+Tỷ lệ dòng điện on/off cao
+ Có thể thay đổi trạng thái khi được chức năng hóa
VD: Chức năng hóa bởi MoO3 BP sẽ giữ trạng thái loại p
Chức năng hóa bởi Cs2CO3 BP sẽ giữ trạng thái lưỡng cực Điều ấy sẽ giúp BP nâng cao được chỉ số về độ linh động
Mặc dù BP có nhiều ưu điểm, nhưng nó gặp nhược điểm là thiếu ổn định trong môi trường lâu dài Để cải thiện tình trạng này, các nghiên cứu đã tìm ra giải pháp bằng cách sử dụng thêm một lớp Al2O3 hoặc phát triển các bán dẫn lưỡng cực dựa trên BP thụ động - benzyl viologen nhằm đảm bảo sự ổn định.
Vật liệu 2D khác
Ngoài các vật liệu 2D truyền thống như graphene, TMDs, h-BN và BP, các hệ thống hữu cơ 2D và perovskites 2D đang thu hút sự chú ý đáng kể Chẳng hạn, perovskites 2D dựa trên naphthalene diimide amoni (NDIA) và chì halogenua ((NDIA)4Pb3I10) đã cho thấy đặc tính vận chuyển điện tích phụ thuộc vào điện áp tiêu hao Mặc dù độ linh động của điện tích vẫn còn hạn chế, nhưng độ ổn định và hiệu suất điện của chúng đã được cải thiện đáng kể so với các vật liệu 2D truyền thống.
Hệ thống hữu cơ 2D có thể được chia thành ba loại:
Covalent organic frameworks (COFs) are 2D materials constructed through covalent bonding using planar aromatic structural units, following a network chemistry principle.
+ π-conjugated polymers: được hình thành bởi các đơn vị “aromatic” liên kết cộng hóa trị
Các polymer điều phối π-d liên hợp (CPs) bao gồm các ion kim loại và phối tử liên hợp π Sự kết hợp giữa các quỹ đạo d hybrid của kim loại chuyển tiếp và quỹ đạo biên của các phối tử liên hợp trong hệ thống này tạo ra tính chất điện tốt hơn cho thiết bị, đây là một ưu điểm nổi bật của hệ thống này.
Vật liệu 2D có tiềm năng lớn trong sản xuất bóng bán dẫn 2 cực nhờ tỷ lệ on/off cao và khả năng di chuyển sóng mang Hiện nay, có nhiều kỹ thuật sản xuất như EDL, SCTD, doping tĩnh điện (ED) và doping hóa học (CD) Trong số đó, EDL là phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất để điều chỉnh "ambipolar behaviors" Hơn nữa, "ambipolar behaviors" và hiệu suất điện tử cũng ảnh hưởng đến bóng bán dẫn.
Độ dày của vật liệu 2D là yếu tố quan trọng trong sản xuất bóng bán dẫn 2 cực, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động Để đạt được hiệu quả tối ưu, cần chú ý đến độ dày của lớp vật liệu trong quá trình sản xuất.
Bảng 2.1: Khả năng di động, tỷ lệ on/off của một số bóng bán dẫn lưỡng cực dựa trên vật liệu 2D
Vật liệu 1D
Vật liệu 1D, như dây nano, dải nano và thanh nano, đang thu hút sự chú ý trong sản xuất FET nhờ khả năng điều khiển tốc độ và độ dẫn lượng tử hóa Dây nano có ưu điểm là hiệu suất điện dễ kiểm soát nhờ vào hai kênh vận chuyển độc lập (kênh lõi và kênh vỏ) Đối với vật liệu 1D, ba yếu tố chính để điều chỉnh “ambipolar behaviors” là độ kết tinh, hình thái và độ dày của vỏ Nghiên cứu đã chỉ ra rằng độ kết tinh và hình thái của lớp vỏ Si rất quan trọng đối với bóng bán dẫn có lõi Ge và vỏ Si Khi sử dụng Si vô định hình (a-Si), bóng bán dẫn có xu hướng thuộc loại p mạnh do lõi Ge chiếm ưu thế trong quá trình vận chuyển chính.
25 sử dụng tinh thể Si (c-Si), các bóng bán dẫn thuộc loại n mạnh vì sự vận chuyển điện tích sơ cấp được xác định bởi lớp vỏ Si
Vật liệu 1D không chỉ thích hợp cho việc nghiên cứu sự vận chuyển điện tích mà còn là một lựa chọn tiềm năng cho các mạch quang điện tử tích hợp phức tạp Hiệu suất điện và các tính chất vật lý của vật liệu này rất quan trọng cho các ứng dụng trong mạch quang điện.
Hình 2.5 Ảnh hưởng của độ kết tinh và hình thái của lớp vỏ Si lên các bóng bán dẫn dựa trên dây nano Ge/Si.
ỨNG DỤNG, KẾT LUẬN VÀ THÁCH THỨC
Thách thức
Các nghiên cứu gần đây về bóng bán dẫn lưỡng cực đã ghi nhận tiến bộ đáng kể trong nguyên tắc hoạt động, vật liệu, cấu trúc và phương pháp chế tạo, cùng với các ứng dụng của chúng Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết, đặc biệt là trong lĩnh vực vật liệu bán dẫn hữu cơ.
✓ Mối quan hệ giữa cấu trúc hóa học và đặc tính điện vẫn chưa được hiểu đầy đủ
✓ Cần cải thiện hiệu suất lưỡng cực thực tế so với dự đoán lý thuyết
✓ Cần phát triển các kỹ thuật xây dựng phân tử mới để thiết kế cấu trúc phân tử hợp lý
✓ Cần phát triển các vật liệu bán dẫn lưỡng cực vô định hình có đặc tính vận chuyển chất mang đẳng hướng
✓ Cần cải thiện độ ổn định trong hoạt động và môi trường xung quanh của bóng bán dẫn lưỡng cực hữu cơ
✓ Cần phát triển các phương pháp chế tạo nhiệt độ thấp và sử dụng dung môi thân thiện với môi trường
• Đối với vật liệu bán dẫn vô cơ và hữu cơ-vô cơ:
✓ Cần cải thiện độ linh động của điện tử và lỗ trống
✓ Cần phát triển các vật liệu có độ ổn định cao trong môi trường lâu dài
✓ Cần phát triển các phương pháp chế tạo đơn giản và hiệu quả
• Đối với cấu trúc và phương pháp chế tạo:
✓ Cần phát triển các cấu trúc và phương pháp chế tạo mới để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của bóng bán dẫn lưỡng cực
✓ Cần nghiên cứu thêm về các ứng dụng mới của bóng bán dẫn lưỡng cực
• Thử thách và cơ hội cho bóng bán dẫn hai chiều
Vật liệu bán dẫn hai chiều (2D) có tiềm năng lớn cho bóng bán dẫn hai cực nhờ khả năng vận chuyển điện tích xuất sắc và tỷ lệ bật/tắt cao Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số thách thức cản trở việc chuyển đổi công nghệ bóng bán dẫn hai chiều từ nghiên cứu sang ứng dụng thực tế.
1 Kỹ thuật điều biến: Các bóng bán dẫn hai cực hiện tại thường dựa vào kỹ thuật điều biến phức tạp, chẳng hạn như điện trở lớp kép, làm tăng độ phức tạp của quá trình sản xuất và khó tích hợp Việc phát triển các phương pháp điều biến đơn giản, chẳng hạn như doping hóa học hoặc ủ trong bầu không khí đặc biệt, là điều cần thiết để đạt được trạng thái hai cực trong vật liệu 2D
2 Sản xuất quy mô lớn: Hầu hết các vật liệu 2D được sản xuất bằng phương pháp bóc tách cơ học, có liên quan đến những hạn chế như quá trình chuyển giao phức tạp, chi phí cao và hạn chế trong việc sản xuất màng lớn Việc khám phá các kỹ thuật sản xuất quy mô lớn và chi phí thấp, chẳng hạn như CVD, MBE và paste điện tử, là điều cần thiết để sản xuất màng vật liệu 2D phù hợp với bóng bán dẫn hai cực
3 Bóng bán dẫn hai cực linh hoạt: Bóng bán dẫn hai cực linh hoạt có tiềm năng lớn nhưng chưa được nghiên cứu nhiều Việc phát triển các phương pháp sản xuất đơn giản và hiệu quả để xếp chồng các cấu trúc dị nguyên vdW trong bóng bán dẫn hai cực là điều cần thiết để tạo ra các thiết bị linh hoạt
4 Vật liệu 2D hữu cơ và hữu cơ-vô cơ mới: Ngoài các hệ vật liệu 2D vô cơ truyền thống, chẳng hạn như TMD và BP, các vật liệu 2D hữu cơ và hữu cơ-vô cơ mới, chẳng hạn như COF, CP và perovskite, mang lại những cơ hội đầy hứa hẹn cho bóng bán dẫn hai cực
5 Hệ vật liệu và hiệu suất thiết bị: Đạt được sản xuất quy mô lớn, đơn giản, chi phí thấp, tích hợp cao, linh hoạt ổn định và đa dạng hệ vật liệu là điều cần thiết cho sự phát triển của bóng bán dẫn hai chiều dựa trên vật liệu 2D
• Cơ hội và thách thức cho bóng bán dẫn hỗn hợp hữu cơ-vô cơ pha trộn (OIHPM) và bóng bán dẫn lớp kép hữu cơ-vô cơ (OIDL)
Transistor OIHPM và OIDL sở hữu đặc tính hứa hẹn cho bóng bán dẫn hai cực nhờ vào cấu trúc phân tử độc đáo và sự kết hợp vật liệu có thể điều chỉnh Mặc dù vậy, vẫn tồn tại những thách thức cần được giải quyết.
1 Tăng cường độ di động: Độ di động của điện tích của cả OIHPM và OIDL transistor cần được cải thiện
2 Tăng cường độ ổn định trong môi trường: Độ ổn định trong môi trường của cả vật liệu và thiết bị cần được tăng cường
Các nỗ lực trong tương lai nên tập trung vào:
• Thiết kế cấu trúc phân tử: Thiết kế cẩn thận cấu trúc phân tử để cải thiện độ di động và độ ổn định trong môi trường
• Kết hợp vật liệu: Khám phá các kết hợp vật liệu và cấu trúc thiết bị khác nhau để tăng cường độ di động của điện tích
Thử thách và cơ hội cho bộ nhớ hai cực
Bộ nhớ hai cực đã thu hút sự chú ý đáng kể nhờ vào khả năng lưu trữ lớn, tốc độ chuyển đổi nhanh và độ bền cao Mặc dù có nhiều tiềm năng ứng dụng, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất của công nghệ này.
Để nâng cao tốc độ chuyển đổi, cần cải thiện độ di động của điện tử và lỗ, điều này phụ thuộc vào cấu trúc, tính chất và tiếp xúc giao diện của các bán dẫn.
Giảm tiêu thụ năng lượng có thể đạt được thông qua việc sử dụng điện môi chặn mỏng với hằng số điện môi cao và các vật liệu bán dẫn mới, nhằm hạn chế biên độ kích hoạt.
Khả năng giữ dữ liệu lâu dài và độ bền trong chu kỳ ghi-xóa phụ thuộc vào việc sử dụng vật liệu bán dẫn hai cực ổn định, điện môi xuyên thủng phù hợp và thiết kế cổng nổi hiệu quả.
Các nhà nghiên cứu toàn cầu đang tích cực giải quyết các thách thức liên quan đến bóng bán dẫn lưỡng cực Với những nỗ lực không ngừng, công nghệ này hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong tương lai, ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử, quang điện, cảm biến và y sinh.
Kết luận
Thay đổi dẫn điện tuyến tính và đối xứng là một thách thức lớn trong việc học tập hiệu quả, đặc biệt khi phải đạt được sự thay đổi này trong kênh dưới tác động của các xung điện liên tiếp Để điều chỉnh dẫn điện tuyến tính, việc tối ưu hóa thiết kế transistor, bao gồm cấu trúc, vật liệu và nồng độ, cũng như các thông số xung như chiều rộng xung và điện áp kích thích, là rất quan trọng.
Tính nhất quán vi cấu trúc trong các màng bán dẫn là yếu tố quan trọng, vì sự không nhất quán này có thể dẫn đến hiệu suất không đồng đều giữa các thiết bị và trong các chu kỳ thử nghiệm Để khắc phục vấn đề này, cần phải nghiên cứu các kỹ thuật chế tạo mới và vật liệu ổn định.
Tỷ lệ bật/tắt lớn là yếu tố quan trọng đối với transistor lưỡng cực, giúp phân biệt rõ ràng các mức dẫn điện và ngăn chặn các sai số trong quá trình đọc do biến động dẫn điện.
Mức độ phức tạp và tiêu thụ điện năng của việc tích hợp các thiết bị synap cơ bản để mô phỏng chức năng thần kinh phức tạp như nhận dạng hình ảnh đang gia tăng Do đó, nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc cải thiện khả năng xếp chồng và tích hợp, cũng như nâng cao hiệu quả năng lượng của các hệ thống điện tử thần kinh.
Tính di động lỗ và electron cân bằng, với tính di động lớn và điện áp bật đối xứng, cùng với dòng điện tắt nhỏ, là yếu tố quan trọng giúp transistor lưỡng cực cải thiện hiệu suất, bao gồm tiêu thụ năng lượng thấp, độ lợi cao và khả năng miễn nhiễm nhiễu.
Vận chuyển điện tích unipolar chọn lọc là một thách thức lớn, ngay cả khi hoạt động ở chế độ unipolar với các điều kiện thuận lợi Để cải thiện hiệu suất, các chiến lược như intercalation của lớp tiêm hạt mang, sử dụng SAM và doping hóa học đã được đề xuất, đồng thời cần tìm kiếm các phương pháp hiệu quả hơn.
❖ Transistor phát sáng lưỡng cực (LETs)
Hiểu biết về chuyển động của hạt mang và tái hợp exciton là rất quan trọng trong nghiên cứu các thiết bị phát sáng hiệu suất cao Mặc dù có nhiều vật liệu và cấu trúc mới được phát triển, nhưng các nguyên tắc cơ bản liên quan đến chuyển động của hạt mang, quá trình tái hợp exciton và phát xạ ánh sáng trong bán dẫn vẫn chưa được hiểu rõ Do đó, cần có sự nghiên cứu sâu hơn để làm sáng tỏ các cơ chế này.
Cải thiện tổng thể hiệu suất của LET lưỡng cực là cần thiết để đạt được tính khả thi thương mại trong các ứng dụng như màn hình, chiếu sáng trạng thái rắn và laser hữu cơ Nhiều nghiên cứu hiện tại chỉ tập trung vào các đặc tính riêng lẻ, gây khó khăn cho việc ứng dụng thực tiễn Việc nâng cao các phẩm chất khác nhau của LET hứa hẹn sẽ mang lại lợi thế hơn so với OLED thông thường Kết hợp nhiều phương pháp đã được báo cáo để tăng hiệu suất sẽ giúp giải quyết vấn đề này, đồng thời cần nghiên cứu thêm các phương pháp chế tạo đơn giản, chi phí thấp và hiệu quả.
Các đặc tính phát sáng của màn hình ma trận hoạt động phụ thuộc vào độ mạnh phát sáng của các yếu tố ngoài dòng thoát Mặc dù LET lưỡng cực có hiệu suất phát sáng cao hơn so với các đối tác unipolar, nhưng tính chất phát sáng của chúng có thể không phù hợp cho ứng dụng trong màn hình ma trận hoạt động.
33 mới như LET thẳng đứng và có cổng điện giải cung cấp các tính năng hứa hẹn để xây dựng LET hiệu suất cao
Transistor lưỡng cực dựa trên polymer hữu cơ và vật liệu 2D hứa hẹn có tính di động và tỷ lệ bật/tắt cao hơn Nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc kết hợp hiệu suất điện cao, chế tạo dễ dàng, chi phí thấp, điện áp hoạt động thấp và độ linh hoạt trong một transistor lưỡng cực duy nhất để phục vụ các ứng dụng thực tế.
• Transistor synap lưỡng cực cho khả năng thay đổi linh hoạt khả năng dẻo dai synap