Oprettelse af bedre enheder:Ætsningen stopper her

Et team af tværfaglige videnskabsmænd og ingeniører ved University of Illinois i Urbana-Champaign har opdaget en ny, mere præcis, metode til at skabe elektromekaniske enheder i nanoskala. Deres forskningsresultater er publiceret i Naturkommunikation .

"I de sidste fem år, der har været et kæmpe guldfeber, hvor forskere fandt ud af, at vi kunne lave 2D-materialer, der naturligt kun er ét molekyle tykke, men som kan have mange forskellige elektroniske egenskaber, og ved at stable dem oven på hinanden, vi kunne konstruere næsten enhver elektronisk enhed i molekylstørrelser, sagde Arend van der Zande, professor i mekanisk videnskab og teknik.

"Udfordringen var, selvom vi kunne gøre disse strukturer ned til et par molekyler tykke, vi kunne ikke mønstre dem, " han sagde.

På enhver skala af elektronisk udstyr, lag er ætset væk i præcise mønstre for at kontrollere, hvordan strømmen flyder. "Dette koncept ligger til grund for mange teknologier, som integrerede kredsløb. Imidlertid, jo mindre du bliver, jo sværere er dette at gøre, sagde van der Zande.

"For eksempel, hvordan laver man elektrisk kontakt på molekylært lag tre og fem, men ikke på lag fire på atomniveau?"

En serendipital opdagelse førte til en metode til at gøre netop det.

Som ny postdoktor i van der Zandes laboratorium, Jangyup Son kørte nogle eksperimenter på enkelte lag af grafen ved hjælp af Xenon difluorid, XeF2, da han tilfældigvis "smed ind" et andet materiale ved hånden:sekskantet Boron Nitride (hBN), en elektrisk isolator.

"Jangyup skubbede begge materialer ind i ætsekammeret på samme tid, og hvad han så var, at et enkelt lag grafen stadig var der, men et tykt stykke hBN blev fuldstændig ætset væk af Xenon-difluoridet."

Denne utilsigtede opdagelse fik holdet til at se, hvor de kunne anvende grafens evne til at modstå ætsemidlet.

"Denne opdagelse gjorde det muligt for os at mønstre todimensionelle strukturer ved at placere lag af grafen mellem andre materialer, såsom hexagonal bornitrid (hBN), overgangsmetal dichalcogenider (TMDC'er), og sort fosfor (BP), at selektivt og præcist ætse et lag uden at ætse laget nedenunder."

grafen, når de udsættes for ætsemidlet XeF2, bevarer sin molekylære struktur og masker, eller beskytter, laget nedenfor og stopper faktisk ætsningen.

"Det, vi har opdaget, er en måde at mønstre komplicerede strukturer på ned til en molekylær og atomær skala, " han sagde.

For at udforske styrkerne ved den nye teknik, gruppen skabte en simpel grafentransistor for at teste dens ydeevne i forhold til traditionelt fremstillede grafentransistorer, som i øjeblikket er mønstret på en måde, der fremkalder uorden i materialet, forringe deres præstationer.

"Fordi disse molekyler alle er overflade, hvis du har den siddende på noget med nogen lidelse overhovedet, det ødelægger elektronernes evne til at bevæge sig gennem materialet og dermed den elektroniske ydeevne, " sagde van der Zande. "For at gøre den bedst mulige enhed, du skal indkapsle grafenmolekylet i et andet todimensionelt materiale, såsom isolerende hBN for at holde det super fladt og rent."

Det er her, den nye teknik er så nyttig. Grafenmolekylet kan forblive indkapslet og uberørt, mens de modstår den nødvendige ætsning for at komme i kontakt med materialet, derved bevares materialets egenskaber.

Som proof of concept, transistorerne lavet ved hjælp af den nye teknik klarede sig bedre end alle andre transistorer, "gør dem til de bedste grafentransistorer, der hidtil er demonstreret i litteraturen."

De næste skridt, sagde van der Zande, skal se, hvor skalerbar teknikken er, og om den vil muliggøre tidligere umulige enheder. Kan vi drage fordel af denne tekniks selvarresterende karakter til at lave en million identiske transistorer i stedet for blot én? Kan vi mønstre enheder ned til nanoskalaen i alle tre dimensioner på samme tid for at lave nanobånd uden nogen forstyrrelse?

"Nu hvor vi har en måde at minimere uorden i materialet, vi udforsker måder at lave mindre funktioner på, fordi vi kan lave indkapsling og mønstre på samme tid, sagde han. Normalt når du forsøger at lave mindre træk som nanobånd af 2-D materialer, begynder lidelsen at dominere, så enhederne ikke fungerer korrekt."

"Grafenætsestoppet, som teknikken hedder, vil gøre hele processen med at bygge enheder lettere."