Kickstartende Moores lov? Ny syntetisk metode til fremstilling af mikrochips kunne hjælpe

Forskere ved Johns Hopkins University har udviklet en ny metode til at producere atomisk tynde halvledende krystaller, der en dag kunne muliggøre mere kraftfulde og kompakte elektroniske enheder.

Ved at bruge specialbehandlede siliciumoverflader til at skræddersy krystallernes størrelse og form, forskerne har fundet en potentielt hurtigere og billigere måde at producere næste generation af halvlederkrystaller til mikrochips. De krystallinske materialer fremstillet på denne måde kunne igen muliggøre nye videnskabelige opdagelser og accelerere den teknologiske udvikling inden for kvanteberegning, forbrugerelektronik, og højere effektivitet solceller og batterier.

Resultaterne er beskrevet i et papir offentliggjort i dag i Natur nanoteknologi .

"At have en metode til at skulpturere krystaller på nanoskala præcist, hurtigt, og uden behov for traditionelle top-down-processer, præsenterer store fordele for udbredt anvendelse af nanomaterialer i teknologiapplikationer, " sagde Thomas J. Kempa, en kemiprofessor ved Johns Hopkins University, der ledede forskningen.

Kempas team overhældte først siliciumsubstrater - de understøtninger, der bruges i vid udstrækning i industrielle omgivelser til at forarbejde halvledere til enheder - med phosphingas. Når krystaller blev lokket til at vokse på de phosphin-behandlede siliciumunderstøtninger, forfatterne opdagede, at de voksede til strukturer, der var langt mindre og af højere kvalitet end krystaller fremstillet på traditionelle måder.

Forskerne opdagede, at fosphinens reaktion med siliciumstøtten forårsagede dannelsen af ​​en ny "designeroverflade". Denne overflade ansporede krystallerne til at vokse som vandrette "bånd" i modsætning til de plane og trekantede plader, der typisk produceres. I øvrigt, den ensartede teint og struktur med rene kanter af disse bånd konkurrerede med kvaliteten af ​​nanokrystaller fremstillet gennem industristandard mønster- og ætsningsprocesser, som ofte er besværlige, langvarig, og dyrt, Sagde Kempa.

Nanokrystallerne fremstillet i denne undersøgelse kaldes "transition metal dichalcogenides" eller TMD'er. Ligesom grafen, TMD'er har nydt bred opmærksomhed for at besidde stærke egenskaber, der er en unik konsekvens af deres "todimensionelle" skala. Men konventionelle behandlingsmetoder kæmper for let at ændre teksturen af ​​TMD'er på måder, der passer til nye opdagelser og udviklingen af ​​bedre ydende teknologier.

Især versionerne af TMD'er, som Kempa og hans team var i stand til at skabe, var så små, at de kaldte dem "endimensionelle" for at adskille dem fra de sædvanlige todimensionelle ark, de fleste forskere kender til.

Materialebehandlingsbegrænsninger er en af ​​grundene til, at Moores lov har været langsommere i de seneste år. Reglen, stillet i 1965 af Intels medstifter Gordon E. Moore, angiver, at antallet af transistorer, og deres præstationer, i et tæt integreret kredsløb vil fordobles cirka hvert andet år. Pakning af så mange mikronstore transistorer i mikrochips, eller integrerede kredsløb, er grunden til, at forbrugerelektronik er blevet støt mindre, hurtigere, og smartere i løbet af de sidste par årtier.

Imidlertid, halvlederindustrien kæmper nu for at fastholde det tempo.

Bemærkelsesværdige træk ved krystallerne udarbejdet af Kempa og hans team omfatter:

1. Deres meget ensartede atomstruktur og kvalitet stammer fra det faktum, at de blev syntetiseret i modsætning til fremstillet ved hjælp af de traditionelle metoder til mønster og ætsning. Den elegante kvalitet af disse krystaller kunne gøre dem mere effektive til at lede og omdanne energi i solceller eller katalysatorer.
2. Forskere var i stand til direkte at dyrke krystallerne til deres præcise specifikationer ved at ændre mængden af ​​phosphin.
3. "Designersubstratet" er "modulært, ", hvilket betyder, at akademiske og industrielle laboratorier kunne bruge denne teknologi i forbindelse med andre eksisterende krystalvækstprocesser til at fremstille nye materialer.
4. "Designersubstraterne" er også genanvendelige, sparer penge og tid på behandlingen.
5. Den resulterende båndformede, endimensionelle krystaller udsender lys, hvis farve kan indstilles ved at justere båndbredden, angiver deres potentielle løfte i kvanteinformationsapplikationer.

"Vi bidrager med et grundlæggende fremskridt inden for rationel kontrol af formen og dimensionen af ​​materialer i nanoskala, " sagde Kempa.

Denne metode kan "skulpturere krystaller i nanoskala på måder, der ikke var let mulige før, " tilføjede han. "Sådan præcis syntetisk kontrol af krystalstørrelse på disse længdeskalaer er uden fortilfælde."

"Vores metode kan spare betydelig behandlingstid og penge, " sagde han. "Vores evne til at kontrollere disse krystaller efter behag kunne muliggøre anvendelser inden for energilagring, kvanteberegning og kvantekryptografi. "