מוליך למחצה דו-ממדי

מוליך למחצה דו־ממדי (2D semiconductor) הוא משפחה של מוליכים למחצה טבעיים בעובי בסדר גודל אטומי. גים, נובוסלוב ואחרים היו חלוצי התחום כאשר בשנת 2004 דיווחו על חומר מוליך למחצה חדש שיקרא גרפן, אשר בנוי משכבה אטומית של אטומי פחמן המסודרים בשריג דמוי חלת דבש.^[1] מוליכים למחצה בשכבה דו-ממדית הוא תחום ייחודי עקב התכונות החשמליות שנוצרות בו.

חומרים דו-ממדיים

גרפן חד שכבתי

גרפן

לגרפן, המורכב מיריעות בודדות של אטומי פחמן, ניידות אלקטרונים ומוליכות תרמית גבוהים. בגרפן פער האנרגיה אינו קיים עקב הימצאות קונוסי דיראק, מה שמייצר אתגר בתחום האלקטרוניקה שתכונות ההולכה בו אינן נשלטות במלואן.^[2] שכבות ננומטריות של אלמנטים טור IV אחרים (Si, Ge ו-Sn) מציגים מאפיינים מבניים ואלקטרוניים הדומים לגרפן.^[3]

מבנה שכבתי של h-BN

בוריד ניטריד הקסגונלי

בורון ניטריד חד-שכבתי משושה (h-BN) הוא מבודד עם פער אנרגיה גבוה (5.97 eV).^[4] עם זאת, הוא יכול גם לתפקד כמוליך למחצה עם מוליכות משופרת בשל הקצוות החדים במבנה הזיגזג שלו וכן באמצעות היעדרויות. h-BN משמש לעיתים קרובות כמצע וכמבודד. ל-h-BN יש גם מוליכות תרמית גדולה.

מבנה שכבתי של MoS ₂

מתכות מעבר דיכלכוגנידית

שכבות אטומיות של מתכת דיכלכוגנידית (dichalcogenide), כמו TMD או TMDC, הן סוג של חומרים דו-ממדיים בעלי הנוסחה הכימית MX ₂, כאשר M מייצג מתכות מעבר מקבוצה VI, V ו-VI, ו-X מייצג כלכוגן כגון גופרית, סלניום או טלוריום.^[5] כל שכבה בעלת קשרים כימיים חזקים בינה לבין עצמה, אבל חלשים בין שכבות. לכן, ניתן לקלף (exfoliate) בקלות את אותן מתכות לשכבות דקות אטומיות. חומרים אלו בעלי מאפיינים אופטיים וחשמליים התלויי בעובי השכבה. כאשר אלו בשכבה בודדת, פער האנריגה של חלק מחומרים אלו עובר מעקיף לישיר,^[6] מה שמוביל ליישומים נרחבים^[2] באלקטרואופטיקה,^[7][8] ומחשוב קוונטי.^[9]

סינתזה

מערכת CVD לסינתזה של _{MoS 2}

מוליכים למחצה דו-ממדים מסונתזים לעיתים קרובות בשיטת CVD. מכיוון ש־CVD יכול לספק גידול שכבתי בשטח רחב, ובצורה איכותית ומבוקרת היטב.^[10] כאשר מייצרים התקנים על ידי מספר שכבות חד-ממדיות אחת על גבי השנייה, משתמשים לעיתים קרובות בשיטת אקספוליאציה.^[11]‏^[5]