Metode registrerer defekter i 2-D materialer til fremtidig elektronik, sensorer

For yderligere at skrumpe elektroniske enheder og reducere energiforbruget, halvlederindustrien er interesseret i at bruge 2-D materialer, men producenter har brug for en hurtig og præcis metode til at opdage defekter i disse materialer for at afgøre, om materialet er egnet til fremstilling af enheder. Nu har et team af forskere udviklet en teknik til hurtigt og følsomt at karakterisere defekter i 2-D materialer.

To-dimensionelle materialer er atomtynde, det mest kendte er grafen, et enkelt atom-tykt lag carbonatomer.

"Folk har kæmpet for at lave disse 2-D materialer uden defekter, "sagde Mauricio Terrones, Verne M. Willaman Professor i fysik, Penn State. "Det er det ultimative mål. Vi vil have et 2-D-materiale på en fire-tommer wafer med mindst et acceptabelt antal fejl, men du vil evaluere det på en hurtig måde. "

Forskernes - som repræsenterer Penn State, Nordøstlige universitet, Rice University og Universidade Federal de Minas Gerais i Brasilien - løsningen er at bruge laserlys kombineret med anden harmonisk generation, et fænomen, hvor lysets frekvens skinnede på materialet reflekterer med dobbelt den oprindelige frekvens. De tilføjer mørkfeltbilleddannelse, en teknik, hvor eksternt lys filtreres fra, så defekter skinner igennem. Ifølge forskerne, dette er den første forekomst, hvor mørkfeltbilleddannelse blev brugt, og det giver tre gange lysstyrken ved standard billedbehandling -metoden, gør det muligt at se typer af fejl, der tidligere var usynlige.

"Lokalisering og identifikation af defekter med den almindeligt anvendte lyse felt anden harmoniske generation er begrænset på grund af interferensvirkninger mellem forskellige korn af 2-D-materialer, "sagde Leandro Mallard, en seniorforfatter på en nylig artikel i Nano bogstaver og professor ved Universidade Federal de Minas Gerais. "I dette arbejde har vi vist, at ved brug af mørkt felt SHG fjerner vi interferenseffekterne og afslører korngrænserne og kanterne på halvledende 2-D-materialer. Sådan en ny teknik har god rumlig opløsning og kan forestille store arealprøver, der kan bruges til at overvåge kvaliteten af ​​det materiale, der produceres i industrielle skalaer. "

Vincent H. Crespi, Kære professor i fysik, Materialevidenskab og teknik, og kemi, Penn State, tilføjet, "Krystaller er lavet af atomer, og derfor er defekterne i krystaller - hvor atomer er malplacerede - også af atomstørrelse.

"Som regel, magtfulde, dyre og langsomme eksperimentelle sonder, der foretager mikroskopi ved hjælp af elektronstråler, er nødvendige for at skelne sådanne fine detaljer i et materiale, "sagde Crespi." Her, Vi bruger en hurtig og tilgængelig optisk metode, der kun trækker det signal, der stammer fra selve defekten, frem for hurtigt og pålideligt at finde ud af, hvordan 2-D-materialer sys sammen af ​​korn, der er orienteret på forskellige måder. "

En anden medforfatter sammenlignede teknikken med at finde et bestemt nul på en side fuld af nuller.

"I det mørke felt, alle nuller er gjort usynlige, så kun det defekte nul skiller sig ud, "sagde Yuanxi Wang, assisterende forskningsprofessor ved Penn State's Materials Research Institute.

Halvlederindustrien ønsker at have evnen til at kontrollere for defekter på produktionslinjen, men 2-D materialer vil sandsynligvis blive brugt i sensorer, før de bruges i elektronik, ifølge Terrones. Fordi 2-D materialer er fleksible og kan inkorporeres i meget små rum, de er gode kandidater til flere sensorer i et smartwatch eller en smartphone og et utal af andre steder, hvor små, fleksible sensorer er påkrævet.

"Det næste trin ville være en forbedring af den eksperimentelle opsætning for at kortlægge nuldimensionsdefekter-f.eks. Atomiske ledige pladser og også udvide den til andre 2-D-materialer, der er vært for forskellige elektroniske og strukturelle egenskaber, "sagde hovedforfatter Bruno Carvalho, en tidligere gæsteforsker i Terrones 'gruppe,