Miroir, miroir, qui est le semi-conducteur le plus efficace de tous ?

Miroir, miroir, qui est le semi-conducteur le plus efficace de tous ?

Horodatage: 9 août 2023 3 h 08
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09 août 2023 (Actualités Nanowerk) La prochaine génération de matériaux semi-conducteurs 2D n'aime pas ce qu'elle voit quand elle se regarde dans le miroir. Les approches de synthèse actuelles pour fabriquer des nanofeuilles monocouches de matériau semi-conducteur pour l'électronique atomiquement mince développent un défaut particulier de « jumeau miroir » lorsque le matériau est déposé sur des substrats monocristallins comme le saphir. La nanofeuille synthétisée contient des joints de grains qui agissent comme un miroir, avec la disposition des atomes de chaque côté organisés en opposition réfléchie les uns par rapport aux autres. C'est un problème, selon les chercheurs de la plate-forme d'innovation en matériaux bidimensionnels du Crystal Consortium-Materials de Penn State (2DCC-MIP) et leurs collaborateurs. Les électrons se dispersent lorsqu'ils atteignent la limite, ce qui réduit les performances d'appareils tels que les transistors. Il s'agit d'un goulot d'étranglement, selon les chercheurs, pour l'avancement de l'électronique de nouvelle génération pour des applications telles que Internet des Objets (IoT) et les intelligence artificielle. Mais maintenant, l'équipe de recherche a peut-être trouvé une solution pour corriger ce défaut. des étapes à l'échelle atomique sur des substrats en saphir permettent l'alignement cristallin de matériaux 2D lors de la fabrication de semi-conducteurs Une équipe de chercheurs dirigée par Penn State a découvert que des étapes à l'échelle atomique sur des substrats de saphir permettent l'alignement cristallin de matériaux 2D lors de la fabrication de semi-conducteurs. La manipulation de ces matériaux lors de la synthèse peut réduire les défauts et améliorer les performances des dispositifs électroniques. (Image : Jennifer McCann, Penn State) Ils ont publié leur travail dans Natural Nanotechnology ("Ingénierie par étapes pour la nucléation et le contrôle de l'orientation de domaine dans WSe2 épitaxie sur saphir c-plane »). Cette étude pourrait avoir un impact significatif sur la recherche sur les semi-conducteurs en permettant à d'autres chercheurs de réduire les défauts des jumeaux miroirs, selon l'auteure principale Joan Redwing, directrice du 2DCC-MIP, d'autant plus que le domaine a accru l'attention et le financement du CHIPS et de la loi scientifique approuvée la dernière fois. année. L'autorisation de la législation a augmenté le financement et d'autres ressources pour stimuler les efforts américains pour délocaliser la production et le développement de la technologie des semi-conducteurs. Une feuille monocouche de diséléniure de tungstène - seulement trois atomes d'épaisseur - constituerait un semi-conducteur très efficace et atomiquement mince pour contrôler et manipuler le flux de courant électrique, selon Redwing. Pour fabriquer la nanofeuille, les chercheurs utilisent le dépôt chimique en phase vapeur d'organo-métalliques (MOCVD), une technologie de fabrication de semi-conducteurs utilisée pour déposer des couches monocristallines ultra-minces sur un substrat, en l'occurrence une plaquette de saphir. Alors que le MOCVD est utilisé dans la synthèse d'autres matériaux, les chercheurs du 2DCC-MIP ont été les pionniers de son utilisation pour la synthèse de semi-conducteurs 2D tels que le diséléniure de tungstène, a déclaré Redwing. Le diséléniure de tungstène appartient à une classe de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition qui ont une épaisseur de trois atomes, le métal de tungstène étant pris en sandwich entre des atomes de séléniure non métallique, qui manifeste des propriétés semi-conductrices souhaitables pour l'électronique avancée. "Pour obtenir des feuilles monocouches avec un degré élevé de perfection cristalline, nous avons utilisé des plaquettes de saphir comme modèle pour aligner les cristaux de diséléniure de tungstène lorsqu'ils se déposent par MOCVD sur la surface de la plaquette", a déclaré Redwing, qui est également un éminent professeur de matériaux. sciences et ingénierie et de génie électrique à Penn State. « Cependant, les cristaux de diséléniure de tungstène peuvent s'aligner dans des directions opposées sur le substrat de saphir. Au fur et à mesure que les cristaux orientés de manière opposée grossissent, ils finissent par se rencontrer sur la surface du saphir pour former la limite du jumeau miroir. Pour résoudre ce problème et aligner la plupart des cristaux de diséléniure de tungstène avec les cristaux de saphir, les chercheurs ont profité de "marches" sur la surface du saphir. Le monocristal de saphir qui compose la plaquette est hautement parfait en termes de physique ; cependant, il n'est pas parfaitement plat au niveau atomique. Il y a des marches sur la surface qui ne sont qu'un atome ou deux de haut avec des zones plates entre chaque marche. Ici, a déclaré Redwing, les chercheurs ont trouvé la source présumée du défaut du miroir. La marche sur la surface du cristal de saphir est l'endroit où les cristaux de diséléniure de tungstène avaient tendance à se fixer, mais pas toujours. L'alignement des cristaux lorsqu'ils sont attachés aux marches avait tendance à être dans une seule direction. "Si les cristaux peuvent tous être alignés dans la même direction, alors les défauts jumeaux miroir dans la couche seront réduits ou même éliminés", a déclaré Redwing. Les chercheurs ont découvert qu'en contrôlant les conditions du processus MOCVD, la plupart des cristaux pouvaient être amenés à se fixer au saphir lors des étapes. Et pendant les expériences, ils ont fait une découverte bonus : si les cristaux s'attachent en haut de la marche, ils s'alignent dans une direction cristallographique ; s'ils se fixent en bas, ils s'alignent dans la direction opposée. "Nous avons constaté qu'il était possible d'attacher la majorité des cristaux au bord supérieur ou inférieur des marches", a déclaré Redwing, attribuant le travail expérimental effectué par Haoyue Zhu, chercheur postdoctoral, et Tanushree Choudhury, professeur de recherche adjoint. , en 2DCC-MIP. "Cela fournirait un moyen de réduire considérablement le nombre de frontières de miroirs jumeaux dans les couches." Nadire Nayir, une chercheuse postdoctorale encadrée par le professeur universitaire émérite Adri van Duin, a dirigé des chercheurs de l'installation de théorie/simulation 2DCC-MIP pour développer un modèle théorique de la structure atomique de la surface du saphir afin d'expliquer pourquoi le diséléniure de tungstène attaché au haut ou au bas bord des marches. Ils ont émis l'hypothèse que si la surface du saphir était recouverte d'atomes de sélénium, ils se fixeraient au bord inférieur des marches ; si le saphir n'est que partiellement recouvert de sorte que le bord inférieur de la marche manque d'atome de sélénium, alors les cristaux sont attachés au sommet. Pour confirmer cette théorie, les chercheurs de Penn State 2DCC-MIP ont travaillé avec Krystal York, une étudiante diplômée du groupe de recherche de Steven Durbin, professeur de génie électrique et informatique à la Western Michigan University. Elle a contribué à l'étude dans le cadre du 2DCC-MIP Resident Scholar Visitor Program. York a appris à développer des couches minces de diséléniure de tungstène via MOCVD tout en utilisant les installations 2DCC-MIP pour sa recherche de thèse de doctorat. Ses expériences ont permis de confirmer que la méthode fonctionnait. "Lors de la réalisation de ces expériences, Krystal a observé que la direction des domaines de diséléniure de tungstène sur le saphir changeait lorsqu'elle faisait varier la pression dans le réacteur MOCVD", a déclaré Redwing. "Cette observation expérimentale a permis de vérifier le modèle théorique qui a été développé pour expliquer l'emplacement de fixation des cristaux de diséléniure de tungstène sur les marches de la plaquette de saphir." Des échantillons de diséléniure de tungstène à l'échelle d'une plaquette sur saphir produits à l'aide de ce nouveau procédé MOCVD sont disponibles pour les chercheurs en dehors de Penn State via le programme utilisateur 2DCC-MIP. "Des applications telles que l'intelligence artificielle et l'Internet des objets nécessiteront de nouvelles améliorations de performances ainsi que des moyens de réduire la consommation d'énergie de l'électronique", a déclaré Redwing.

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