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. מוליכים למחצה בשכבה דו-ממדית הוא תחום ייחודי עקב התכונות החשמליות שנוצרות בו. 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. שכבות ננומטריות של אלמנטים טור IV אחרים (Si, Ge ו-Sn) מציגים מאפיינים מבניים ואלקטרוניים הדומים לגרפן. בורון ניטריד חד-שכבתי משושה (h-BN) הוא מבודד עם פער אנרגיה גבוה (5.97 eV). 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. 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. 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, מה שמוביל ליישומים נרחבים באלקטרואופטיקה, ומחשוב קוונטי. מוליכים למחצה דו-ממדים מסונתזים לעיתים קרובות בשיטת CVD. מכיוון ש־CVD יכול לספק גידול שכבתי בשטח רחב, ובצורה איכותית ומבוקרת היטב. כאשר מייצרים התקנים על ידי מספר שכבות חד-ממדיות אחת על גבי השנייה, משתמשים לעיתים קרובות בשיטת אקספוליאציה.‏ Novoselov, K. S. (2004). "Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films". Science. 306 (5696): 666–669. arXiv:cond-mat/0410550. Bibcode:2004Sci...306..666N. doi:10.1126/science.1102896. ISSN 0036-8075. PMID 15499015. Radisavljevic, B.; Radenovic, A.; Brivio, J.; Giacometti, V.; Kis, A. (2011). "Single-layer MoS2 transistors". Nature Nanotechnology. 6 (3): 147–150. Bibcode:2011NatNa...6..147R. doi:10.1038/nnano.2010.279. PMID 21278752. Garcia, J. C.; de Lima, D. B.; Assali, L. V. C.; Justo, J. F. (2011). "Group IV graphene- and graphane-like nanosheets". J. Phys. Chem. C. 115 (27): 13242. arXiv:1204.2875. doi:10.1021/jp203657w. Dean, C. R.; Young, A. F.; Meric, I.; Lee, C.; Wang, L.; Sorgenfrei, S.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Kim, P. (2010). "Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics". Nature Nanotechnology. 5 (10): 722–726. arXiv:1005.4917. Bibcode:2010NatNa...5..722D. doi:10.1038/nnano.2010.172. ISSN 1748-3387. PMID 20729834. Wang, Qing Hua; Kalantar-Zadeh, Kourosh; Kis, Andras; Coleman, Jonathan N.; Strano, Michael S. (2012). "Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides". Nature Nanotechnology. 7 (11): 699–712. Bibcode:2012NatNa...7..699W. doi:10.1038/nnano.2012.193. ISSN 1748-3387. PMID 23132225. Kuc, A.; Zibouche, N.; Heine, T. (2011). "Influence of quantum confinement on the electronic structure of the transition metal sulfideTS2". Physical Review B. 83 (24): 245213. arXiv:1104.3670. Bibcode:2011PhRvB..83x5213K. doi:10.1103/PhysRevB.83.245213. ISSN 1098-0121. Wilson, J.A.; Yoffe, A.D. (1969). "The transition metal dichalcogenides discussion and interpretation of the observed optical, electrical and structural properties". Advances in Physics. 18 (73): 193–335. Bibcode:1969AdPhy..18..193W. doi:10.1080/00018736900101307. ISSN 0001-8732. Yoffe, A D (1973). "Layer Compounds". Annual Review of Materials Science. 3 (1): 147–170. Bibcode:1973AnRMS...3..147Y. doi:10.1146/annurev.ms.03.080173.001051. ISSN 0084-6600. B. Lucatto; et al. (2019). "Charge qubit in van der Waals heterostructures". Physical Review B. 100 (12): 121406. arXiv:1904.10785. doi:10.1103/PhysRevB.100.121406. Duan, Xidong; Wang, Chen; Shaw, Jonathan C.; Cheng, Rui; Chen, Yu; Li, Honglai; Wu, Xueping; Tang, Ying; Zhang, Qinling (2014). "Lateral epitaxial growth of two-dimensional layered semiconductor heterojunctions". Nature Nanotechnology. 9 (12): 1024–1030. Bibcode:2014NatNa...9.1024D. doi:10.1038/nnano.2014.222. ISSN 1748-3387. PMID 25262331. Geim, A. K.; Grigorieva, I. V. (2013). "Van der Waals heterostructures". Nature. 499 (7459): 419–425. arXiv:1307.6718. doi:10.1038/nature12385. ISSN 0028-0836. PMID 23887427.