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투명 장치는 잠재적으로 유리, 플렉서블 디스플레이 및 스마트 콘택트 렌즈에 통합되어 공상 과학 제품처럼 보이는 미래형 장치에 생명을 불어넣을 수 있음. 수십 년 동안 연구자들은 광학적 투명성이 완전한 전자 장치를 가능하게 할 수 있는 반도체 산화물을 기반으로 하는 새로운 종류의 전자 장치를 찾고 있었음. 산화물 기반 장치는 전력 전자 및 통신 기술에서도 사용되어 유틸리티 네트워크의 탄소 발자국을 줄일 수 있음.

호주의 RMIT가 이끄는 연구팀은 이제 2차원(2D) 반도체 재료 제품군에 초박형 베타 텔루 라이트(β-TeO 2)를 도입하여 고 이동성 p형 산화물에 대한 수십 년에 걸친 연구에 대한 답을 제공함.

연구진은 이 새로운 고 이동성 p형 산화물이 재료 스펙트럼의 중요한 격차를 메워 빠르고 투명한 회로를 가능하게 한다며, 오랫동안 추구해온 산화물 기반 반도체의 다른 주요 이점은 공기 안정성, 덜 엄격한 순도 요구 사항, 저렴한 비용 및 쉬운 증착이라고 설명함.

반도체 재료에는 두 가지 유형이 있으며, 'n형'은 음전하를 띤 전자가 풍부하고 'p형'은 양전하를 띤 정공이 많음. 다이오드, 정류기 및 논리 회로와 같은 전자 장치를 허용하는 보완적인 n형 및 p형 재료를 함께 쌓는 것임. 산화물 장치의 장벽은 많은 고성능 n형 산화물이 알려져 있지만 고품질 p형 산화물이 상당히 부족하다는 것임.

2018년 전산 연구에 따르면 베타 텔루 라이트는 매력적인 p형 산화물 후보가 될 수 있으며, 주기율표에서 텔루륨의 특이한 위치는 독특하게 유용한 특성을 가진 산화물을 제공하는 금속과 비금속 모두로 작동할 수 있음을 의미함.

연구진은 액체 금속 화학에 의존하는 특별히 개발된 합성 기술로 베타 텔루 라이트의 분리를 시연함.

텔루르 (Te)와 셀레늄 (Se)의 용융된 혼합물을 준비하여 표면 위로 굴러가도록 하는데, 대기 중의 산소 덕분에 녹은 물방울은 자연스럽게 베타 텔루 라이트의 얇은 표면 산화물 층을 형성함. 액체 방울이 표면 위로 굴러감에 따라 이 산화물 층이 그 표면에 달라 붙어 원자적으로 얇은 산화물 시트를 증착함. 텔루르 산염의 바람직한 β상은 300°C 미만으로 성장하지만 순수한 텔루륨은 융점이 500°C 이상임. 따라서 융점이 낮은 합금을 설계하기 위해 셀레늄을 첨가하여 합성이 가능했음.

연구진이 얻은 초박막 시트의 두께는 불과 1.5 나노미터에 불과하며, 이 물질은 가시 스펙트럼에 걸쳐 매우 투명하여 3.7eV의 밴드갭을 가지고 있어 본질적으로 사람의 눈에는 보이지 않음.

개발된 재료의 전자적 특성을 평가하기 위해 전계 효과 트랜지스터 (FET)를 제작함. 이 디바이스 특성 p형 스위칭뿐만 아니라, 높은 정공 이동도 보였음.

향후 연구진은 이 새로운 반도체의 잠재력을 더 탐구할 계획임.

본 연구 성과는 Nature Electronics ("High mobility p-type semiconducting two-dimensional β-TeO2")에 게재됨.