Lustro, lustro, kto jest najbardziej wydajnym półprzewodnikiem z nich wszystkich?

Lustro, lustro, kto jest najbardziej wydajnym półprzewodnikiem z nich wszystkich?

Znacznik czasu: 9 sierpnia 2023 3:08
Węzeł źródłowy: 2814824
09 sierpnia 2023 (Wiadomości Nanowerk) Następna generacja materiałów półprzewodnikowych 2D nie lubi tego, co widzi, patrząc w lustro. Obecne metody syntezy mające na celu wytwarzanie jednowarstwowych nanoarkuszów materiału półprzewodnikowego do zastosowań w elektronice o cienkiej atomie powodują powstanie specyficznego defektu „lustrzanego bliźniaka”, gdy materiał osadza się na podłożach monokrystalicznych, takich jak szafir. Zsyntetyzowany nanoarkusz zawiera granice ziaren, które działają jak lustro, a układ atomów po każdej stronie jest zorganizowany w odbitej opozycji do siebie. Według naukowców z platformy innowacji Two-Dimensional Crystal Consortium-Materials Innovation Platform (2DCC-MIP) należącej do Penn State i ich współpracowników stanowi to problem. Elektrony rozpraszają się, gdy uderzają w granicę, zmniejszając wydajność urządzeń takich jak tranzystory. Naukowcy stwierdzili, że stanowi to wąskie gardło w rozwoju elektroniki nowej generacji do zastosowań takich jak Internet przedmiotów i sztuczna inteligencja. Jednak teraz zespół badawczy być może znalazł rozwiązanie pozwalające skorygować tę wadę. stopnie w skali atomowej na podłożach szafirowych umożliwiają wyrównanie kryształów materiałów 2D podczas wytwarzania półprzewodników Zespół badaczy z Penn State odkrył, że stopnie w skali atomowej na podłożach szafirowych umożliwiają wyrównanie kryształów materiałów 2D podczas wytwarzania półprzewodników. Manipulowanie tymi materiałami podczas syntezy może zmniejszyć defekty i poprawić wydajność urządzenia elektronicznego. (Zdjęcie: Jennifer McCann, Penn State) Opublikowali swoją pracę w Natura Nanotechnologia („Inżynieria krokowa dla kontroli zarodkowania i orientacji domeny w WSe2 epitaksja na szafirze płaszczyzny C”). Zdaniem głównej autorki Joan Redwing, dyrektor 2DCC-MIP, badanie to może mieć znaczący wpływ na badania nad półprzewodnikami, umożliwiając innym badaczom redukcję defektów bliźniaków lustrzanych, zwłaszcza że dziedzina ta zyskała większe zainteresowanie i finansowanie z zatwierdzonych ostatnio CHIPS i Science Act. rok. Zezwolenie na mocy tego ustawodawstwa zwiększyło fundusze i inne zasoby, aby pobudzić wysiłki Ameryki na rzecz produkcji i rozwoju technologii półprzewodników na lądzie. Według Redwinga jednowarstwowy arkusz diselenku wolframu – o grubości zaledwie trzech atomów – umożliwiłby utworzenie bardzo skutecznego, cienkiego atomowo półprzewodnika do kontrolowania i manipulowania przepływem prądu elektrycznego. Do wytworzenia nanoarkusza naukowcy wykorzystują metaloorganiczne chemiczne osadzanie z fazy gazowej (MOCVD), technologię produkcji półprzewodników, która służy do osadzania ultracienkich warstw monokryształu na podłożu, w tym przypadku na płytce szafirowej. Choć MOCVD wykorzystuje się w syntezie innych materiałów, badacze z projektu 2DCC-MIP byli pionierami w jego zastosowaniu do syntezy półprzewodników 2D, takich jak diselenek wolframu, powiedział Redwing. Diselenek wolframu należy do klasy materiałów zwanych dichalkogenkami metali przejściowych, które mają grubość trzech atomów, z metalicznym wolframem umieszczonym pomiędzy atomami niemetalicznego selenku, co wykazuje pożądane właściwości półprzewodnikowe w zaawansowanej elektronice. „Aby uzyskać jednowarstwowe arkusze o wysokim stopniu doskonałości krystalicznej, użyliśmy płytek szafirowych jako szablonu do wyrównania kryształów diselenku wolframu podczas ich osadzania na powierzchni płytki metodą MOCVD” – powiedział Redwing, który jest również wybitnym profesorem materiałów nauki i inżynierii oraz elektrotechniki w Penn State. „Jednak kryształy diselenku wolframu mogą układać się w przeciwnych kierunkach na szafirowym podłożu. W miarę jak przeciwnie zorientowane kryształy powiększają się, ostatecznie spotykają się ze sobą na powierzchni szafiru, tworząc lustrzaną bliźniaczą granicę. Aby rozwiązać ten problem i dopasować większość kryształów diselenku wolframu do kryształów szafiru, badacze wykorzystali „stopnie” na powierzchni szafiru. Szafirowy monokryształ tworzący płytkę jest wysoce doskonały pod względem fizycznym; jednakże nie jest idealnie płaski na poziomie atomowym. Na powierzchni znajdują się stopnie o wysokości zaledwie jednego lub dwóch atomów, z płaskimi obszarami pomiędzy nimi. Tutaj, jak powiedział Redwing, badacze znaleźli podejrzane źródło wady lustra. Stopień na powierzchni kryształu szafiru to miejsce, w którym kryształy diselenku wolframu mają tendencję do przyczepiania się, ale nie zawsze. Ułożenie kryształów po przymocowaniu do stopni było zwykle skierowane w jednym kierunku. „Jeśli wszystkie kryształy uda się ustawić w tym samym kierunku, wówczas lustrzane bliźniacze defekty w warstwie zostaną zredukowane lub nawet wyeliminowane” – powiedział Redwing. Naukowcy odkryli, że kontrolując warunki procesu MOCVD, większość kryształów można było przymocować do szafiru w stopniach. Podczas eksperymentów dokonali dodatkowego odkrycia: jeśli kryształy przyczepią się do górnej części stopnia, ustawiają się w jednym kierunku krystalograficznym; jeśli przyczepią się do dołu, wyrównają się w przeciwnym kierunku. „Odkryliśmy, że większość kryształów można było przymocować albo do górnej, albo do dolnej krawędzi stopni” – powiedział Redwing, przypisując prace eksperymentalne przeprowadzone przez Haoyue Zhu, doktora habilitowanego, i Tanushree Choudhury, adiunkta ds. badań , w 2DCC-MIP. „Umożliwiłoby to znaczne zmniejszenie liczby lustrzanych granic bliźniaczych w warstwach”. Nadire Nayir, doktorantka pod kierunkiem profesora Distinguished University Adri van Duina, poprowadziła badaczy z ośrodka teorii/symulacji 2DCC-MIP do opracowania teoretycznego modelu struktury atomowej powierzchni szafiru w celu wyjaśnienia, dlaczego diselenek wolframu jest przyczepiony do góry lub do dołu krawędź schodów. Wysunęli teorię, że gdyby powierzchnia szafiru była pokryta atomami selenu, przyczepiłyby się one do dolnej krawędzi stopni; jeśli szafir jest tylko częściowo pokryty tak, że na dolnej krawędzi stopnia brakuje atomu selenu, wówczas kryształy przyczepiają się do góry. Aby potwierdzić tę teorię, badacze 2DCC-MIP z Penn State współpracowali z Krystal York, absolwentką grupy badawczej Stevena Durbina, profesora inżynierii elektrycznej i komputerowej na Western Michigan University. Brała udział w badaniu w ramach programu 2DCC-MIP Resident Scholar Visitor. York nauczyła się hodować cienkie warstwy diselenku wolframu za pomocą MOCVD, korzystając z urządzeń 2DCC-MIP w badaniach do swojej pracy doktorskiej. Jej eksperymenty pomogły potwierdzić skuteczność tej metody. „Podczas tych eksperymentów Krystal zaobserwowała, że ​​kierunek domen diselenku wolframu na szafirze zmieniał się, gdy zmieniała ciśnienie w reaktorze MOCVD” – powiedział Redwing. „Ta eksperymentalna obserwacja umożliwiła weryfikację modelu teoretycznego opracowanego w celu wyjaśnienia miejsca mocowania kryształów diselenku wolframu na stopniach płytki szafirowej”. Próbki diselenku wolframu w skali waflowej na szafirze wytworzone przy użyciu tego nowatorskiego procesu MOCVD są dostępne dla badaczy spoza stanu Penn za pośrednictwem programu użytkownika 2DCC-MIP. „Aplikacje takie jak sztuczna inteligencja i Internet rzeczy będą wymagały dalszej poprawy wydajności, a także sposobów zmniejszenia zużycia energii przez elektronikę” – powiedział Redwing.

Znak czasu:

Więcej z Nanowerk