Teknik strømliner fremstilling af 2-D kredsløb

Eksotiske 2-D materialer har et stort løfte om at skabe atom-tynde kredsløb, der kunne drive fleksibel elektronik, optoelektronik, og andre næste generations enheder. Men fremstilling af komplekse 2-D kredsløb kræver flere tidskrævende, dyre skridt.

I et papir udgivet i PNAS , forskere fra MIT og andre steder beskriver en teknik, der strømliner fremstillingsprocessen, ved at dyrke et 2-D-materiale direkte på et mønstret substrat og genbruge kredsløbsmønstrene.

Forskerne dyrker omhyggeligt et enkelt lag molybdendisulfid (MoS ₂ ), som kun er tre atomer tykke, på et vækstsubstrat i et valgt mønster. Denne tilgang adskiller sig fra traditionelle teknikker, der gror og ætser et materiale væk iterativt, over flere lag. Disse processer tager et stykke tid og øger chancerne for at forårsage overfladefejl, der kan hindre materialets ydeevne.

Med den nye metode, kun bruger vand, forskerne kan overføre materialet fra dets vækstsubstrat til dets destinationssubstrat så rent, at det originale mønstrede substrat kan genbruges som en "master-replica" type form - hvilket betyder en genanvendelig skabelon til fremstilling. I traditionel fremstilling, vækstsubstrater bliver kastet efter hver materialeoverførsel, og kredsløbet skal mønstres igen på et nyt substrat for at genvokse mere materiale.

"Når vi skalerer op og laver mere komplekse elektroniske enheder, folk har brug for at integrere adskillige 2D-materialer i flere lag og specifikke former. Hvis vi følger traditionelle metoder, trin for trin, det vil være meget tidskrævende og ineffektivt, " siger den første forfatter Yunfan Guo, en postdoc i Institut for Elektroteknik og Datalogi (EECS) og Forskningslaboratoriet for Elektronik. "Vores metode viser potentialet til at gøre hele fremstillingsprocessen enklere, lavere omkostninger, og mere effektiv."

I deres arbejde, forskerne fremstillede vilkårlige mønstre og en fungerende transistor lavet af MoS ₂ , som er en af ​​de tyndeste kendte halvledere. I deres undersøgelse, forskerne genbrugte det samme mønstrede substrat fire gange uden at se tegn på slid.

Guo får følgeskab på papiret af EECS-professorerne Tomas Palacios og Jing Kong; Ju Li, en MIT -professor i nuklear videnskab og teknik og i materialevidenskab og teknik; Xi Ling fra Boston University; Letian Dou og Enzheng Shi fra Purdue University; syv andre MIT kandidatstuderende, postdocs, og alumner; og to andre medforfattere fra Cornell University og Purdue University.

Kontrolleret vækst

For at designe et mønster på et vækstsubstrat, forskerne udnyttede en teknik, der bruger iltbaseret plasma til at skære mønstre ind i et substrats overflade. Nogle versioner af denne teknik er blevet brugt eksperimentelt før til at dyrke 2-D materialemønstre. Men den rumlige opløsning - hvilket betyder størrelsen på præcise strukturer, der kan fremstilles - er relativt dårlig (100 mikron), og den elektriske ydeevne har været meget lavere end materialer dyrket ved hjælp af andre metoder.

For at rette dette, forskerne gennemførte dybdegående undersøgelser af, hvordan MoS ₂ atomer arrangerer sig selv på en substratoverflade, og hvordan visse kemiske forstadier kan hjælpe med at kontrollere materialets vækst. Derved, de var i stand til at udnytte teknikken til at dyrke et enkelt lag af højkvalitets MoS ₂ inden for præcise mønstre.

Forskerne brugte traditionelle fotolitografiske masker på et siliciumoxidsubstrat, hvor det ønskede mønster ligger inden for områder, der ikke er udsat for lys. Disse områder udsættes efterfølgende for det oxygenbaserede plasma. Plasmaet ætser omkring 1-2 nanometer af substratet i mønsteret væk.

Denne proces skaber også en højere overfladeenergi og en øget affinitet for vandelskende ("hydrofile") molekyler i disse plasmabehandlede områder. Forskerne bruger derefter et organisk salt, kaldet PTAS, der fungerer som vækstfremmer for MoS ₂ . Saltet tiltrækkes af de nyoprettede hydrofile ætsede områder. Ud over, forskerne brugte svovl, en væsentlig forløber for MoS ₂ vækst, ved en præcis mængde og temperatur for at regulere præcis hvor mange af materialets atomer, der vil dannes på underlaget.

Da forskerne efterfølgende målte MoS ₂ vækst, de fandt det udfyldt omkring 0,7 nanometer af det ætsede mønster. Det svarer til præcis ét lag MoS ₂ .

Genbrugsmønstre

Næste, forskerne udviklede en metode til at genbruge det mønstrede substrat. Traditionelt, overførsel af 2-D materialer fra et vækstsubstrat til et destinationssubstrat, såsom en fleksibel overflade, kræver indkapsling af hele det dyrkede materiale i en polymer, ætser det kemisk, og adskille det fra dets vækstsubstrat. Men dette bringer uundgåeligt forurenende stoffer til materialet. Når materialet frigives, det efterlader også rester, så de originale underlag må ikke genbruges.

På grund af det svage samspil mellem MoS ₂ og vækstsubstratet, imidlertid, forskerne fandt ud af, at de kunne afmontere MoS ₂ rent fra det originale underlag ved at nedsænke det i vand. denne proces, kaldet "delaminering, " eliminerer behovet for at bruge ethvert støttelag og giver et rent brud med materialet fra underlaget.

"Det er derfor, vi kan genbruge det, " siger Guo. "Efter det er overført, fordi det er rent, vores mønstrede substrat gendannes, og vi kan bruge det til flere vækster."

Forskernes innovationer introducerer langt færre overfladefejl, der begrænser ydeevnen, målt i elektronmobilitet - hvor hurtigt elektroner bevæger sig gennem en halvleder.

I deres papir, forskerne fremstillede en 2-D transistor, kaldet en felt-effekt-transistor. Resultaterne indikerer, at elektronmobilitet og "on-off ratio"-hvor effektivt en transistor svinger mellem 1 og 0 beregningstilstande-er sammenlignelige med de rapporterede værdier for traditionelt dyrket høj kvalitet, højtydende materialer.

Felteffekttransistoren har i øjeblikket en rumlig opløsning på omkring 2 mikron, som kun er begrænset af laseren de mikrofabrikationsinstrumenter forskerne brugte. Næste, forskerne håber at reducere mønsterstørrelsen, og direkte integrere komplekse kredsløb på 2-D materialer ved hjælp af deres fremstillingsteknik.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.