กระจก กระจก ใครคือเซมิคอนดักเตอร์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในบรรดาทั้งหมด?

กระจก กระจก ใครคือเซมิคอนดักเตอร์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในบรรดาทั้งหมด?

ประทับเวลา: 9 สิงหาคม 2023 3:08 น.
โหนดต้นทาง: 2814824
09 ส.ค. 2023 (ข่าวนาโนเวิร์ค) วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ 2D รุ่นต่อไปไม่ชอบสิ่งที่เห็นเมื่อมองในกระจก วิธีการสังเคราะห์ในปัจจุบันเพื่อสร้างแผ่นนาโนชั้นเดียวของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางที่มีอะตอมมิกจะพัฒนาข้อบกพร่อง "กระจกคู่" ที่แปลกประหลาดเมื่อวัสดุถูกสะสมบนพื้นผิวผลึกเดี่ยวเช่นแซฟไฟร์ แผ่นนาโนสังเคราะห์ประกอบด้วยขอบเขตของเกรนที่ทำหน้าที่เป็นกระจก โดยมีการจัดเรียงอะตอมในแต่ละด้านจัดเรียงในลักษณะที่สะท้อนตรงข้ามกัน ตามที่นักวิจัยจากแพลตฟอร์มนวัตกรรมวัสดุคริสตัลสองมิติ Consortium-Materials Innovation Platform (2DCC-MIP) ของ Penn State และผู้ทำงานร่วมกันกล่าวว่าปัญหานี้เป็นปัญหา อิเล็กตรอนจะกระเจิงเมื่อถึงขอบเขต ส่งผลให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์เช่นทรานซิสเตอร์ลดลง นักวิจัยกล่าวว่านี่เป็นปัญหาคอขวดสำหรับความก้าวหน้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยุคหน้าสำหรับการใช้งานเช่น อินเทอร์เน็ตของสิ่ง และ ปัญญาประดิษฐ์. แต่ตอนนี้ทีมวิจัยอาจจะคิดหาแนวทางแก้ไขข้อบกพร่องนี้ได้ ขั้นตอนระดับอะตอมบนพื้นผิวแซฟไฟร์ช่วยให้สามารถจัดตำแหน่งคริสตัลของวัสดุ 2 มิติได้ในระหว่างการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ทีมนักวิจัยที่นำโดย Penn State พบว่าขั้นตอนระดับอะตอมบนพื้นผิวแซฟไฟร์ช่วยให้สามารถจัดตำแหน่งคริสตัลของวัสดุ 2D ในระหว่างการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ได้ การจัดการกับวัสดุเหล่านี้ในระหว่างการสังเคราะห์อาจลดข้อบกพร่องและปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (ภาพ: Jennifer McCann, Penn State) พวกเขาตีพิมพ์ผลงานของพวกเขาใน นาโนเทคโนโลยีธรรมชาติ (“ขั้นตอนทางวิศวกรรมสำหรับการควบคุมนิวเคลียสและการวางแนวโดเมนใน WSe2 epitaxy บนแซฟไฟร์ระนาบซี”). การศึกษานี้อาจมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ด้วยการช่วยให้นักวิจัยคนอื่นๆ ลดข้อบกพร่องของกระจกคู่ ตามที่ผู้เขียนนำ Joan Redwing ผู้อำนวยการของ 2DCC-MIP กล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในขณะที่สาขานี้ได้รับความสนใจและเงินทุนเพิ่มขึ้นจากพระราชบัญญัติ CHIPS และวิทยาศาสตร์ที่ได้รับอนุมัติครั้งล่าสุด ปี. การอนุญาตของกฎหมายดังกล่าวช่วยเพิ่มเงินทุนและทรัพยากรอื่นๆ เพื่อส่งเสริมความพยายามของอเมริกาในการผลิตและพัฒนาเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ แผ่นทังสเตนไดเซเลไนด์ชั้นเดียวซึ่งมีความหนาเพียง XNUMX อะตอม จะสร้างเซมิคอนดักเตอร์แบบอะตอมบางที่มีประสิทธิภาพสูงเพื่อควบคุมและควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้า ตามข้อมูลของ Redwing ในการสร้างแผ่นนาโน นักวิจัยใช้การสะสมไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในการฝากชั้นผลึกเดี่ยวบางเฉียบลงบนพื้นผิว ในกรณีนี้คือเวเฟอร์แซฟไฟร์ แม้ว่า MOCVD จะถูกนำมาใช้ในการสังเคราะห์วัสดุอื่นๆ นักวิจัยของ 2DCC-MIP ก็ได้บุกเบิกการใช้ MOCVD ในการสังเคราะห์เซมิคอนดักเตอร์ 2 มิติ เช่น ทังสเตน diselenide Redwing กล่าว ทังสเตน diselenide เป็นวัสดุประเภทหนึ่งที่เรียกว่าไดแชลโคเจนไนด์ของโลหะทรานซิชันซึ่งมีความหนาสามอะตอม โดยมีโลหะทังสเตนประกบอยู่ระหว่างอะตอมของ selenide ที่ไม่ใช่โลหะ ซึ่งแสดงคุณสมบัติเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องการสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง “เพื่อให้ได้แผ่นชั้นเดียวที่มีความสมบูรณ์แบบของผลึกในระดับสูง เราใช้เวเฟอร์แซฟไฟร์เป็นแม่แบบในการจัดตำแหน่งผลึกทังสเตนไดเซเลไนด์ขณะที่พวกมันสะสมโดย MOCVD บนพื้นผิวเวเฟอร์” Redwing ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านวัสดุที่มีชื่อเสียงกล่าว วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์และวิศวกรรมไฟฟ้าที่ Penn State “อย่างไรก็ตาม ผลึกทังสเตน ไดเซเลไนด์สามารถจัดเรียงในทิศทางตรงกันข้ามกับซับสเตรตแซฟไฟร์ เมื่อคริสตัลที่มีทิศทางตรงกันข้ามมีขนาดใหญ่ขึ้น ในที่สุดพวกมันก็จะมาพบกันบนพื้นผิวแซฟไฟร์เพื่อสร้างขอบเขตกระจกคู่” เพื่อแก้ไขปัญหานี้และทำให้คริสตัลทังสเตนไดเซเลไนด์ส่วนใหญ่อยู่ในแนวเดียวกับคริสตัลแซฟไฟร์ นักวิจัยจึงใช้ประโยชน์จาก "ขั้นตอน" บนพื้นผิวแซฟไฟร์ คริสตัลเดี่ยวแซฟไฟร์ที่ประกอบเป็นแผ่นเวเฟอร์มีความสมบูรณ์แบบอย่างมากในแง่ฟิสิกส์ อย่างไรก็ตาม มันไม่ได้ราบเรียบอย่างสมบูรณ์ในระดับอะตอม มีขั้นบันไดบนพื้นผิวที่สูงเพียงอะตอมหรือสองขั้น โดยมีพื้นที่ราบระหว่างแต่ละขั้น Redwing กล่าวว่านักวิจัยพบแหล่งที่มาที่น่าสงสัยของข้อบกพร่องของกระจก ขั้นบนพื้นผิวคริสตัลแซฟไฟร์คือจุดที่คริสตัลทังสเตนไดเซเลไนด์มีแนวโน้มที่จะเกาะติด แต่ก็ไม่เสมอไป การวางแนวคริสตัลเมื่อติดเข้ากับขั้นบันไดมักจะอยู่ในทิศทางเดียวทั้งหมด “หากคริสตัลทั้งหมดสามารถจัดเรียงไปในทิศทางเดียวกันได้ ข้อบกพร่องคู่กระจกเงาในชั้นจะลดลงหรือกำจัดออกไปด้วยซ้ำ” เรดวิงกล่าว นักวิจัยพบว่าด้วยการควบคุมสภาวะกระบวนการ MOCVD จะทำให้คริสตัลส่วนใหญ่สามารถยึดติดกับแซฟไฟร์ในขั้นตอนต่างๆ ได้ และในระหว่างการทดลอง พวกเขาได้ค้นพบโบนัส: หากคริสตัลเกาะติดที่ด้านบนสุดของขั้นบันได พวกมันจะเรียงตัวกันในทิศทางผลึกศาสตร์เดียว ถ้าติดที่ด้านล่างก็จะจัดไปในทิศทางตรงกันข้าม “เราพบว่ามีความเป็นไปได้ที่จะติดคริสตัลส่วนใหญ่ที่ขอบด้านบนหรือด้านล่างของบันได” เรดวิงกล่าว โดยให้เครดิตงานทดลองที่ทำโดย Haoyue Zhu นักวิชาการหลังปริญญาเอก และ Tanushree Choudhury ผู้ช่วยศาสตราจารย์วิจัย ใน 2DCC-MIP “นี่จะเป็นแนวทางในการลดจำนวนขอบเขตของกระจกคู่ในเลเยอร์ได้อย่างมาก” Nadire Nayir นักวิชาการหลังปริญญาเอกที่ได้รับคำปรึกษาจากศาสตราจารย์ Adri van Duin แห่งมหาวิทยาลัยที่มีชื่อเสียง นำนักวิจัยในศูนย์ทฤษฎี/การจำลอง 2DCC-MIP เพื่อพัฒนาแบบจำลองทางทฤษฎีของโครงสร้างอะตอมของพื้นผิวแซฟไฟร์ เพื่ออธิบายว่าทำไมทังสเตนไดเซเลไนด์จึงติดอยู่ที่ด้านบนหรือด้านล่าง ขอบของขั้นตอน พวกเขาตั้งทฤษฎีว่าหากพื้นผิวของแซฟไฟร์ถูกปกคลุมไปด้วยอะตอมของซีลีเนียม พวกมันจะติดอยู่ที่ขอบด้านล่างของขั้นบันได หากแซฟไฟร์ถูกปกคลุมเพียงบางส่วนจนขอบด้านล่างของขั้นบันไดไม่มีอะตอมซีลีเนียม แสดงว่าคริสตัลติดอยู่ที่ด้านบน เพื่อยืนยันทฤษฎีนี้ นักวิจัยของ Penn State 2DCC-MIP ทำงานร่วมกับ Krystal York นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในกลุ่มวิจัยของ Steven Durbin ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ที่ Western Michigan University เธอมีส่วนร่วมในการศึกษาวิจัยนี้โดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ 2DCC-MIP Resident Scholar Visitor Program York เรียนรู้วิธีการปลูกฟิล์มบางของทังสเตนไดเซเลไนด์ผ่าน MOCVD ในขณะที่ใช้สิ่งอำนวยความสะดวก 2DCC-MIP สำหรับการวิจัยวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเธอ การทดลองของเธอช่วยยืนยันว่าวิธีนี้ใช้ได้ผล “ในขณะที่ทำการทดลองเหล่านี้ Krystal สังเกตว่าทิศทางของโดเมนทังสเตน diselenide บนแซฟไฟร์เปลี่ยนไปเมื่อเธอเปลี่ยนความดันในเครื่องปฏิกรณ์ MOCVD” Redwing กล่าว “การสังเกตการณ์เชิงทดลองนี้เป็นการยืนยันแบบจำลองทางทฤษฎีที่พัฒนาขึ้นเพื่ออธิบายตำแหน่งการเกาะติดของผลึกทังสเตนไดเซเลไนด์บนขั้นบันไดบนแผ่นเวเฟอร์แซฟไฟร์” ตัวอย่างทังสเตนไดเซเลไนด์ขนาดเวเฟอร์บนแซฟไฟร์ที่ผลิตโดยใช้กระบวนการ MOCVD ใหม่นี้พร้อมให้นักวิจัยนอกรัฐเพนน์ผ่านโปรแกรมผู้ใช้ 2DCC-MIP “แอปพลิเคชัน เช่น ปัญญาประดิษฐ์ และ Internet of Things จะต้องมีการปรับปรุงประสิทธิภาพเพิ่มเติม รวมถึงวิธีลดการใช้พลังงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์” Redwing กล่าว

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก นาโนเวิร์ค