Forskere laver skalerbare arrays af byggeklodser til ultratynd elektronik

Halvledere, metaller og isolatorer skal integreres for at lave de transistorer, der er de elektroniske byggesten i din smartphone, computer og andre mikrochip-aktiverede enheder. Dagens transistorer er små-kun 10 nanometer brede-og dannet af tredimensionelle (3D) krystaller.

Men en forstyrrende ny teknologi tårner sig op, der bruger todimensionelle (2D) krystaller, kun 1 nanometer tyk, for at muliggøre ultratynd elektronik. Forskere verden over undersøger 2D -krystaller fremstillet af almindelige lagdelte materialer for at begrænse elektrontransport inden for kun to dimensioner. Forskere havde tidligere fundet måder at litografisk mønstre enkelte lag af kulstofatomer kaldet grafen til båndlignende "tråde" komplet med isolering leveret af et lignende lag bornitrid. Men indtil nu har de manglet syntese og behandlingsmetoder til litografisk at mønstre krydsninger mellem to forskellige halvledere inden for et enkelt nanometer-tykt lag for at danne transistorer, byggestenene i ultratynde elektroniske enheder.

Nu for første gang, forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har kombineret en ny synteseproces med kommercielle elektronstråle litografiteknikker til at producere arrays af halvlederforbindelser i vilkårlige mønstre inden for en enkelt, nanometertyk halvlederkrystal. Processen er afhængig af at transformere mønstrede områder af en eksisterende, enkeltlags krystal til en anden. Forskerne blev først single, nanometertykke lag af molybdændiselenidkrystaller på substrater og derefter aflejret beskyttende mønstre af siliciumoxid ved brug af standard litografiteknikker. Derefter bombarderede de de udsatte områder af krystallerne med en lasergenereret stråle af svovlatomer. Svovlatomerne erstattede selenatomerne i krystallerne for at danne molybdændisulfid, som har en næsten identisk krystalstruktur. De to halvlederkrystaller dannede skarpe kryds, de ønskede byggesten i elektronikken. Naturkommunikation rapporterer præstationen.

"Vi kan bogstaveligt talt lave enhver form for mønster, som vi ønsker, " sagde Masoud Mahjouri-Samani, der ledede undersøgelsen sammen med David Geohegan. Geohegan, leder af ORNL's Nanomaterials Synthesis and Functional Assembly Group ved Center for Nanophase Materials Sciences, er hovedforsker i et grundvidenskabeligt projekt ved Institut for Energi, der fokuserer på vækstmekanismer og kontrolleret syntese af nanomaterialer. Millioner af 2D byggeklodser med adskillige mønstre kan laves samtidigt, Mahjouri-Samani tilføjet. I fremtiden, det kan være muligt at fremstille forskellige mønstre på toppen og bunden af ​​et ark. Yderligere kompleksitet kunne indføres ved at lægge ark med forskellige mønstre i lag.

Tilføjet Geohegan, "Udviklingen af ​​en skalerbar, let implementeret proces til litografisk mønster og let dannelse af laterale halvledende heterojunctions inden for todimensionelle krystaller opfylder et kritisk behov for 'byggeklodser' for at muliggøre næste generations ultratynde enheder til applikationer lige fra fleksibel forbrugerelektronik til solenergi."

Tuning af båndgabet

"Vi valgte pulserende laseraflejring af svovl på grund af den digitale kontrol, det giver dig over strømmen af ​​det materiale, der kommer til overfladen, " sagde Mahjouri-Samani. "Du kan stort set lave enhver form for mellemlegering. Du kan bare udskifte, sige, 20 procent af selen med svovl, eller 30 procent, eller 50 procent." Tilføjede Geohegan, "Pulseret laseraflejring lader også den kinetiske energi af svovlatomerne indstilles, giver dig mulighed for at udforske en bredere vifte af behandlingsbetingelser. "

Det er vigtigt, at ved at kontrollere forholdet mellem svovl og selen i krystallen, forskerne kan justere halvledernes båndgab, en egenskab, der bestemmer elektroniske og optiske egenskaber. For at lave optoelektroniske enheder såsom elektroluminescerende skærme, mikrochipfabrikanter integrerer halvledere med forskellige båndgab. For eksempel, molybdendisulfids båndgab er større end molybdæn -diselenids. Anvendelse af spænding til en krystal, der indeholder begge halvledere, får elektroner og "huller" (positive ladninger, der dannes, når elektroner forlader) til at bevæge sig fra molybdendisulfid til molybdæn -diselenid og rekombinere til at udsende lys ved molybdæn -diselenids båndgab. Af den grund, konstruktion af båndgab i monolagsystemer kan tillade generering af lys med mange forskellige farver, samt muliggøre andre applikationer såsom transistorer og sensorer, sagde Mahjouri-Samani.

Dernæst vil forskerne se, om deres pulserende laserfordampning og konverteringsmetode vil fungere med andre atomer end svovl og selen. "Vi forsøger at lave mere komplekse systemer i et 2D-plan – integrere flere ingredienser, sætte forskellige byggeklodser i – for i slutningen af ​​dagen, en komplet fungerende enhed har brug for forskellige halvledere og metaller og isolatorer, " sagde Mahjouri-Samani.

For at forstå processen med at konvertere en nanometertyk krystal til en anden, forskerne brugte kraftfulde elektronmikroskopimuligheder tilgængelige på ORNL, især atomopløsning Z-kontrast scanning transmission elektronmikroskopi, som blev udviklet på laboratoriet og nu er tilgængelig for forskere over hele verden ved hjælp af Center for Nanophase Materials Sciences. Ved at anvende denne teknik, elektronmikroskopister Andrew Lupini og besøgende videnskabsmand Leonardo Basile afbildede sekskantede netværk af individuelle søjler af atomer i de nanometertykke molybdændiselenid- og molybdændisulfidkrystaller.

"Vi kunne direkte skelne mellem svovl- og selenatomer ved deres intensitet i billedet, " Lupini said. "These images and electron energy loss spectroscopy allowed the team to characterize the semiconductor heterojunction with atomic precision."