Vervang een paar procent van de zwavelatomen in tweedimensionaal wolfraamdisulfide door methaan, en je hebt een p-type halfgeleider. En die heb je nu eenmaal nodig om er nanotransistoren van te maken, claimen Mauricio Terrones en collega’s van Penn State University in Science Advances.

Voor zo’n transistor heb je ook een n-type halfgeleider nodig, en de publicatie bevestigt het vermoeden dat puur 2D-WS₂ tot die categorie behoort. Dat zou te maken moeten hebben met de manier waarop zo’n monolaag (iets dikker dan één atoom want de structuur is niet plat!) wordt gemaakt. Bij chemisch opdampen (CVD) valt soms letterlijk een gat op een plek waar eigenlijk een zwavelatoom moet zitten. Het effect is echter heel gering, en volgens de publicatie nog maar één keer eerder gemeten.

Voor een bruikbare p-halfgeleider moet je méér zwavelatomen uit de structuur wrikken, en die vervangen door atomen die het elektronenoverschot ter plekke omzetten in een tekort. Bijvoorbeeld koolstof. Dat blijkt mogelijk door behandeling met een plasma van geïoniseerd methaan, in een mengsel van argon en waterstof als draaggas. Onder deze omstandigheden valt het methaan uiteen in C en de radicalen CH en CH₂; volgens berekeningen kunnen alledrie die vormen worden ingebouwd in WS₂, al lijken losse C’s wat meer te wringen en dus minder stabiel te zijn. Bijkomend voordeel is dat dit plasmaproces voldoende heeft aan 400 ºC, te weinig om onderdelen van de structuur thermisch te ontleden.

Volgens Terrones kun je de ontbrekende S’en, en indien aanwezig de vervangende C’s, letterlijk zien wanneer je het WS₂-oppervlak bekijkt met high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM), een techniek die afzonderlijke atomen in beeld brengt. Je moet echter wel heel erg goed kijken. Computersimulaties met onder meer dichtheidsfunctionaaltheorie lijken de interpretatie van de grijstinten in de plaatjes echter te bevestigen: het kán kloppen.

Duidelijk is wel dat het WS₂ inderdaad geleidelijk van n- naar p-halfgeleiding verschuift naarmate je tijdens de behandeling meer methaan doseert. Uiteindelijk houd je alleen p-eigenschappen over. Om dat überhaupt te kunnen meten, hebben de onderzoekers experimentele transistoren gemaakt waarin laagjes met en zonder koolstof elkaar afwisselden. Dat bewijst impliciet dat deze manier om nanotransistoren te maken in principe toepasbaar is, al lijkt massaproductie nog heel ver weg.

bron: Science Advances, Penn State