Cercetătorii integrează în siguranță materiale 2D fragile în dispozitive

Cercetătorii integrează în siguranță materiale 2D fragile în dispozitive

Marca temporală: 8 decembrie 2023, ora 4:29
Nodul sursă: 3001717
Decembrie 08, 2023

(Știri Nanowerk) Materialele bidimensionale, care au o grosime de doar câțiva atomi, pot prezenta unele proprietăți incredibile, cum ar fi capacitatea de a transporta sarcina electrică extrem de eficient, ceea ce ar putea crește performanța dispozitivelor electronice de generație următoare. Dar integrarea Materiale 2D în dispozitive și sisteme precum cipurile de computer este notoriu dificil. Aceste structuri ultrasubțiri pot fi deteriorate de tehnicile convenționale de fabricație, care se bazează adesea pe utilizarea de substanțe chimice, temperaturi ridicate sau procese distructive precum gravarea. Pentru a depăși această provocare, cercetătorii de la MIT și din alte părți au dezvoltat o nouă tehnică pentru a integra materiale 2D în dispozitive într-un singur pas, păstrând în același timp suprafețele materialelor și interfețele rezultate curate și fără defecte.

Intrebari cu cheie

  • Tehnica inovatoare într-un singur pas dezvoltată pentru a integra materiale 2D în dispozitive electronice, păstrându-le proprietățile unice.
  • Metoda utilizează forțe de suprafață la scară nanometrică, evitând deteriorarea din cauza proceselor de fabricație convenționale.
  • Crearea de interfețe fără defecte în materiale 2D îmbunătățește performanța electrică și optică a dispozitivelor electronice.
  • Noua abordare de fabricație permite producerea de tranzistoare 2D avansate cu funcționalități îmbunătățite.
  • Cercetarea deschide căi pentru calcularea de înaltă performanță, detectarea și electronica flexibilă, folosind materiale 2D.
    • Materiale 2D Redarea acestui artist arată noua platformă de integrare dezvoltată. Prin proiectarea forțelor de suprafață, cercetătorii sunt capabili să integreze direct materiale 2D în dispozitive într-un singur pas de contact și eliberare. (Imagine: Sampson Wilcox, Laboratorul de Cercetare de Electronică)

    Cercetarea

    Metoda echipei se bazează pe forțele de suprafață de inginerie disponibile la scară nanometrică pentru a permite materialului 2D să fie stivuit fizic pe alte straturi de dispozitive prefabricate. Deoarece materialul 2D rămâne nedeteriorat, cercetătorii pot profita din plin de proprietățile sale optice și electrice unice. Ei au folosit această abordare pentru a fabrica rețele de tranzistori 2D care au obținut noi funcționalități în comparație cu dispozitivele produse folosind tehnici convenționale de fabricație. Metoda lor, care este suficient de versatilă pentru a fi utilizată cu multe materiale, ar putea avea diverse aplicații în calculul de înaltă performanță, detectarea și electronica flexibilă. Esența pentru deblocarea acestor noi funcționalități este capacitatea de a forma interfețe curate, ținute împreună de forțe speciale care există între toată materia, numite forțe van der Waals. Cu toate acestea, o astfel de integrare van der Waals a materialelor în dispozitive complet funcționale nu este întotdeauna ușoară, spune Farnaz Niroui, profesor asistent de inginerie electrică și informatică (EECS), membru al Laboratorului de Cercetare în Electronică (RLE) și autor principal al lucrării. o nouă lucrare care descrie lucrarea. „Integrarea Van der Waals are o limită fundamentală”, explică ea. „Deoarece aceste forțe depind de proprietățile intrinseci ale materialelor, ele nu pot fi reglate cu ușurință. Ca rezultat, există unele materiale care nu pot fi integrate direct între ele folosind doar interacțiunile lor van der Waals. Am creat o platformă care să abordeze această limită pentru a ajuta la integrarea van der Waals mai versatilă, pentru a promova dezvoltarea dispozitivelor bazate pe materiale 2D cu funcționalități noi și îmbunătățite.” Niroui a scris lucrarea împreună cu autorul principal Peter Satterthwaite, un student absolvent de inginerie electrică și informatică; Jing Kong, profesor de EECS și membru al RLE; și alții la MIT, Universitatea din Boston, Universitatea Națională Tsing Hua din Taiwan, Consiliul Național de Știință și Tehnologie din Taiwan și Universitatea Națională Cheng Kung din Taiwan. Cercetarea este publicată astăzi în Electronica naturii („Integrarea dispozitivului Van der Waals dincolo de limitele forțelor van der Waals folosind transferul matricei adezive”).

    Atractie avantajoasa

    Realizarea de sisteme complexe, cum ar fi un cip de computer cu tehnici convenționale de fabricație, poate deveni dezordonată. De obicei, un material rigid, cum ar fi siliciul, este cizelat la scară nanometrică, apoi este interfațat cu alte componente, cum ar fi electrozi metalici și straturi izolatoare, pentru a forma un dispozitiv activ. O astfel de prelucrare poate provoca deteriorarea materialelor. Recent, cercetătorii s-au concentrat pe construirea de dispozitive și sisteme de jos în sus, folosind materiale 2D și un proces care necesită stivuire fizică secvențială. În această abordare, în loc să utilizeze cleiuri chimice sau temperaturi ridicate pentru a lega un material 2D fragil de o suprafață convențională precum siliciul, cercetătorii folosesc forțele van der Waals pentru a integra fizic un strat de material 2D pe un dispozitiv. Forțele Van der Waals sunt forțe naturale de atracție care există între toată materia. De exemplu, picioarele unui gecko se pot lipi temporar de perete din cauza forțelor van der Waals. Deși toate materialele prezintă o interacțiune van der Waals, în funcție de material, forțele nu sunt întotdeauna suficient de puternice pentru a le ține împreună. De exemplu, un material 2D semiconductor popular cunoscut sub numele de bisulfură de molibden se va lipi de aur, un metal, dar nu se va transfera direct la izolatori precum dioxidul de siliciu doar intrând în contact fizic cu acea suprafață. Cu toate acestea, heterostructurile realizate prin integrarea straturilor semiconductoare și izolatoare sunt elementele cheie ale unui dispozitiv electronic. Anterior, această integrare a fost posibilă prin legarea materialului 2D la un strat intermediar precum aurul, apoi folosind acest strat intermediar pentru a transfera materialul 2D pe izolator, înainte de îndepărtarea stratului intermediar folosind substanțe chimice sau temperaturi ridicate. În loc să folosească acest strat de sacrificiu, cercetătorii MIT înglobează izolatorul cu aderență scăzută într-o matrice cu aderență ridicată. Această matrice adezivă face ca materialul 2D să se lipească de suprafața încorporată cu aderență scăzută, oferind forțele necesare pentru a crea o interfață van der Waals între materialul 2D și izolator.

    Realizarea matricei

    Pentru a face dispozitive electronice, acestea formează o suprafață hibridă de metale și izolatori pe un substrat purtător. Această suprafață este apoi dezlipită și răsturnată pentru a dezvălui o suprafață superioară complet netedă care conține elementele de bază ale dispozitivului dorit. Această netezime este importantă, deoarece golurile dintre suprafață și materialul 2D pot împiedica interacțiunile van der Waals. Apoi, cercetătorii pregătesc materialul 2D separat, într-un mediu complet curat, și îl pun în contact direct cu stiva de dispozitive pregătită. „Odată ce suprafața hibridă este adusă în contact cu stratul 2D, fără a avea nevoie de temperaturi ridicate, solvenți sau straturi de sacrificiu, poate ridica stratul 2D și îl poate integra cu suprafața. În acest fel, permitem o integrare van der Waals care ar fi interzisă în mod tradițional, dar acum este posibilă și permite formarea de dispozitive complet funcționale într-un singur pas”, explică Satterthwaite. Acest proces într-o singură etapă menține interfața materialului 2D complet curată, ceea ce permite materialului să-și atingă limitele fundamentale de performanță fără a fi reținut de defecte sau contaminare. Și pentru că suprafețele rămân, de asemenea, curate, cercetătorii pot proiecta suprafața materialului 2D pentru a forma caracteristici sau conexiuni cu alte componente. De exemplu, au folosit această tehnică pentru a crea tranzistori de tip p, care sunt în general dificil de realizat cu materiale 2D. Tranzistorii lor s-au îmbunătățit față de studiile anterioare și pot oferi o platformă pentru studierea și obținerea performanței necesare pentru electronica practică. transferul de grafen cu model, o foaie de carbon cu grosimea unui atom, de la un substrat sursă (imaginea de sus), la un polimer adeziv receptor (imaginea de jos) Diversele forțe de suprafață disponibile la scară nanometrică le permit cercetătorilor să adapteze transferul matricei adezive la multe materiale diferite. De exemplu, aici, folosind polimeri adezivi, aceștia sunt capabili să transfere grafenul modelat, o foaie de carbon cu grosimea unui atom, de la un substrat sursă (imaginea de sus), la un polimer adeziv receptor (imaginea de jos). (Imagine: Grupul Niroui) Abordarea lor poate fi făcută la scară pentru a face matrice mai mari de dispozitive. Tehnica matricei adezive poate fi folosită și cu o gamă largă de materiale și chiar și cu alte forțe pentru a spori versatilitatea acestei platforme. De exemplu, cercetătorii s-au integrat grafen pe un dispozitiv, formând interfețele Van der Waals dorite folosind o matrice realizată cu un polimer. În acest caz, aderența se bazează mai degrabă pe interacțiuni chimice decât pe forțele Van der Waals. În viitor, cercetătorii doresc să se bazeze pe această platformă pentru a permite integrarea unei biblioteci diverse de materiale 2D pentru a studia proprietățile lor intrinseci fără influența deteriorării procesării și să dezvolte noi platforme de dispozitive care să folosească aceste funcționalități superioare.

    Timestamp-ul:

    Mai mult de la Nanowerk