Bismuthoxychalkogenide für Spitzenbauelemente

Die kontinuierliche Miniaturisierung elektronischer Bauelemente stößt wegen der physikalischen Eigenschaften von etablierten Materialien wie Silizium immer mehr an ihre Grenzen. Sobald die Abmessungen konventioneller Silizium Transistoren die 10 Nanometer Größenordnung unterschreiten, verstärken sich Probleme wie Wärmeentwicklung, Leistungsabfall und Instabilitäten an den Grenzflächen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, sind deshalb neuartige Materialsysteme für elektronische Anwendungen dringend erforderlich. Dieses Projekt erforscht Bismut-Oxychalcogenide, insbesondere die Schichtverbindung Bi2O2Se, als vielversprechende Basis für zukünftige Nanoelektronik. Im Gegensatz zu herkömmlichen zweidimensionalen Materialien wie MoS 2 oder Graphen besitzt Bi2O2Se eine außergewöhnliche Reißverschluss-Struktur, die sowohl Stabilität als auch hervorragende elektronische Eigenschaften verleiht. Was dieses Material jedoch wirklich hervorhebt, ist sein zugehöriges, natives high-k-Oxid Bi2SeO5, welches sich durch kontrollierte Oxidation des Halbleiters direkt herstellen lässt. Diese inhärente Halbleiter-Isolator-Struktur bietet eine einzigartige Lösung, um typische Grenzflächenprobleme in Transistortechnologien zu überwinden. Ziel des Projekts ist es, die Oxidationsmechanismen von Bi2O2Se Schichten zu Bi2SeO5 auf atomarer Ebene mithilfe modernster Computersimulationen systematisch zu analysieren. Molekulardynamik, elektronische Strukturrechnungen und auf maschinellem Lernen basierende interatomare Kraftfelder werden eingesetzt, um die Oxidbildung, ihre Phasenstabilität und die Dynamik von Defekten zu modellieren. Der Einfluss von Leerstellen, Verunreinigungen und Dotierungsstrategien auf die elektronischen Eigenschaften wird untersucht, um ihren Einfluss auf kritische Bauelementparameter zu bewerten. Im weiteren Verlauf werden verschiedene Metall-Halbleiter- und Metall-Isolator-Grenzflächen analysiert, um ihren Einfluss auf den Abbau von Sauerstoff zu untersuchen und den Kontaktwiderstand zu optimieren. Die Ergebnisse werden in Simulationsmodelle auf Bauelementebene integriert, um die Leistungsfähigkeit unter Betriebsbedingungen realistisch einzuschätzen. Weiters werden die generierten Daten und Modelle öffentlich zugänglich gemacht und stellen dabei eine wertvolle Ressource für die akademische und industrielle Forschung an zukünftigen elektronischen Bauelementen dar. Durch die Verknüpfung von Materialmodellierung, Defektanalyse und Simulationen des Elektronentransports leistet dieses Projekt einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung skalierbarer Halbleiter-Isolator-Systeme. Es zielt darauf ab, das Verständnis von Reißverschluss-Materialien auf atomarer Ebene zu vertiefen und damit ihr Potenzial für bahnbrechende Anwendungen zu erschließen. Dieser Fortschritt könnte schnellere, energieeffizientere und kompaktere Prozessoren sowie Hochleistungselektronik ermöglichen, die ideal für KI-, Sensor- und Kommunikationsanwendungen geeignet sind.