Ny forskning integrerer borophen og grafen i 2-D heterostrukturer

Nanomaterialer kan danne grundlag for mange nye teknologier, inklusive ekstremt lille, fleksibel, og gennemsigtig elektronik.

Mens mange nanomaterialer udviser lovende elektroniske egenskaber, videnskabsmænd og ingeniører arbejder stadig på bedst muligt at integrere disse materialer sammen for til sidst at skabe halvledere og kredsløb med dem.

Northwestern Engineering-forskere har skabt todimensionelle (2-D) heterostrukturer ud fra to af disse materialer, grafen og borophen, tager et vigtigt skridt hen imod at skabe integrerede kredsløb fra disse nanomaterialer.

"Hvis du skulle åbne et integreret kredsløb inde i en smartphone, du vil se mange forskellige materialer integreret sammen, " sagde Mark Hersam, Walter P. Murphy professor i materialevidenskab og teknik, der ledede forskningen. "Imidlertid, vi har nået grænserne for mange af de traditionelle materialer. Ved at integrere nanomaterialer som borophen og grafen sammen, vi åbner op for nye muligheder inden for nanoelektronik."

Støttet af Office for Naval Research og National Science Foundation, resultaterne blev offentliggjort den 11. oktober i tidsskriftet Videnskabens fremskridt . Udover Hersam, anvendt fysik Ph.D. studerende Xiaolong Liu var medforfatter til dette værk.

At skabe en ny slags heterostruktur

Ethvert integreret kredsløb indeholder mange materialer, der udfører forskellige funktioner, som at lede elektricitet eller holde komponenter elektrisk isoleret. Men mens transistorer i kredsløb er blevet mindre og mindre - takket være fremskridt inden for materialer og fremstilling - er de tæt på at nå grænsen for, hvor små de kan blive.

Ultratynde 2D-materialer som grafen har potentialet til at omgå det problem, men det er svært at integrere 2D-materialer sammen. Disse materialer er kun et atom tykke, så hvis de to materialers atomer ikke passer perfekt, Det er usandsynligt, at integrationen lykkes. Desværre, de fleste 2D-materialer matcher ikke på atomskalaen, giver udfordringer for 2-D integrerede kredsløb.

Borophen, 2-D-versionen af ​​bor, som Hersam og kolleger først syntetiserede i 2015, er polymorf, hvilket betyder, at den kan påtage sig mange forskellige strukturer og tilpasse sig sit miljø. Det gør den til en ideel kandidat at kombinere med andre 2-D materialer, som grafen.

For at teste, om det var muligt at integrere de to materialer i en enkelt heterostruktur, Hersams laboratorium dyrkede både grafen og borophen på det samme substrat. De dyrkede først grafen, da det vokser ved en højere temperatur, afsatte derefter bor på det samme substrat og lod det vokse i områder, hvor der ikke var grafen. Denne proces resulterede i laterale grænseflader, hvor på grund af borofens imødekommende natur, de to materialer syet sammen på atomskalaen.

Måling af elektroniske overgange

Laboratoriet karakteriserede 2-D-heterostrukturen ved hjælp af et scanningstunneling-mikroskop og fandt ud af, at den elektroniske overgang på tværs af grænsefladen var usædvanlig brat - hvilket betyder, at den kunne være ideel til at skabe små elektroniske enheder.

"Disse resultater tyder på, at vi kan skabe enheder med ultrahøj tæthed nede ad vejen, " sagde Hersam. Til sidst, Hersam håber at opnå stadig mere komplekse 2D-strukturer, der fører til nye elektroniske enheder og kredsløb. Han og hans team arbejder på at skabe yderligere heterostrukturer med borophen, kombinerer det med et stigende antal af de hundredvis af kendte 2-D materialer.

"I de sidste 20 år, nye materialer har muliggjort miniaturisering og tilsvarende forbedret ydeevne inden for transistorteknologi, " sagde han. "Todimensionelle materialer har potentialet til at tage det næste spring."