Forskere integrerer sikkert skrøbelige 2D-materialer i enheder, hvilket åbner en vej til unikke elektroniske egenskaber

Todimensionelle materialer, som kun er nogle få atomer tykke, kan udvise nogle utrolige egenskaber, såsom evnen til at bære elektrisk ladning ekstremt effektivt, hvilket kan øge ydeevnen af ​​næste generations elektroniske enheder.

Det er dog notorisk svært at integrere 2D-materialer i enheder og systemer som computerchips. Disse ultratynde strukturer kan blive beskadiget af konventionelle fremstillingsteknikker, som ofte er afhængige af brugen af ​​kemikalier, høje temperaturer eller destruktive processer som ætsning.

For at overvinde denne udfordring har forskere fra MIT og andre steder udviklet en ny teknik til at integrere 2D-materialer i enheder i et enkelt trin, samtidig med at materialernes overflader og de resulterende grænseflader holdes uberørte og fri for defekter.

Deres metode er afhængig af tekniske overfladekræfter, der er tilgængelige på nanoskala, for at tillade, at 2D-materialet fysisk kan stables på andre forudbyggede enhedslag. Fordi 2D-materialet forbliver ubeskadiget, kan forskerne drage fuld fordel af dets unikke optiske og elektriske egenskaber.

De brugte denne tilgang til at fremstille arrays af 2D-transistorer, der opnåede nye funktionaliteter sammenlignet med enheder fremstillet ved hjælp af konventionelle fremstillingsteknikker. Deres metode, som er alsidig nok til at blive brugt med mange materialer, kunne have forskellige anvendelser inden for højtydende databehandling, sansning og fleksibel elektronik.

Kernen i at låse op for disse nye funktionaliteter er evnen til at danne rene grænseflader, holdt sammen af ​​specialkræfter, der eksisterer mellem alt stof, kaldet van der Waals-kræfter.

En sådan van der Waals-integration af materialer i fuldt funktionelle enheder er imidlertid ikke altid let, siger Farnaz Niroui, assisterende professor i elektroteknik og datalogi (EECS), medlem af Research Laboratory of Electronics (RLE) og seniorforfatter til et nyt papir, der beskriver arbejdet.

"Van der Waals integration har en fundamental grænse," forklarer hun. "Da disse kræfter afhænger af materialernes iboende egenskaber, kan de ikke uden videre tunes. Som følge heraf er der nogle materialer, der ikke kan integreres direkte med hinanden alene ved hjælp af deres van der Waals-interaktioner. Vi har udviklet en platform til at adressere denne grænse for at hjælpe med at gøre van der Waals integration mere alsidig, for at fremme udviklingen af ​​2D-materiale-baserede enheder med nye og forbedrede funktionaliteter."

Forskningen vil blive offentliggjort i Nature Electronics .

Fordelagtig attraktion

At lave komplekse systemer såsom en computerchip med konventionelle fremstillingsteknikker kan blive rodet. Typisk mejsles et stift materiale som silicium ned til nanoskalaen og forbindes derefter med andre komponenter som metalelektroder og isolerende lag for at danne en aktiv enhed. Sådan behandling kan forårsage skader på materialerne.

For nylig har forskere fokuseret på at bygge enheder og systemer nedefra og op ved at bruge 2D-materialer og en proces, der kræver sekventiel fysisk stabling. I denne tilgang, i stedet for at bruge kemisk lim eller høje temperaturer til at binde et skrøbeligt 2D-materiale til en konventionel overflade som silicium, udnytter forskere van der Waals kræfter til fysisk at integrere et lag af 2D-materiale på en enhed.

Van der Waals-kræfter er naturlige tiltrækningskræfter, der eksisterer mellem alt stof. For eksempel kan en gekkos fødder holde sig til væggen midlertidigt på grund af van der Waals kræfter.

Selvom alle materialer udviser en van der Waals-vekselvirkning, afhængigt af materialet, er kræfterne ikke altid stærke nok til at holde dem sammen. For eksempel vil et populært halvledende 2D-materiale kendt som molybdændisulfid klæbe til guld, et metal, men vil ikke overføres direkte til isolatorer som siliciumdioxid ved blot at komme i fysisk kontakt med den overflade.

Imidlertid er heterostrukturer lavet ved at integrere halvledere og isolerende lag vigtige byggesten i en elektronisk enhed. Tidligere er denne integration blevet aktiveret ved at binde 2D-materialet til et mellemlag som guld og derefter bruge dette mellemlag til at overføre 2D-materialet til isolatoren, før det mellemliggende lag fjernes ved hjælp af kemikalier eller høje temperaturer.

I stedet for at bruge dette offerlag indlejrer MIT-forskerne isolatoren med lav vedhæftning i en matrix med høj vedhæftning. Denne klæbende matrix er det, der får 2D-materialet til at klæbe til den indlejrede overflade med lav vedhæftning, hvilket giver de kræfter, der er nødvendige for at skabe en van der Waals-grænseflade mellem 2D-materialet og isolatoren.

Lav matrixen

For at lave elektroniske enheder danner de en hybrid overflade af metaller og isolatorer på et bærersubstrat. Denne overflade pilles derefter af og vendes for at afsløre en fuldstændig glat overflade, der indeholder byggestenene til den ønskede enhed.

Denne glathed er vigtig, da huller mellem overfladen og 2D-materialet kan hæmme van der Waals-interaktioner. Derefter forbereder forskerne 2D-materialet separat i et helt rent miljø og bringer det i direkte kontakt med den forberedte enhedsstabel.

"Når først hybridoverfladen er bragt i kontakt med 2D-laget, uden at have brug for høje temperaturer, opløsningsmidler eller offerlag, kan den opsamle 2D-laget og integrere det med overfladen. På denne måde tillader vi en van der Waals integration, der traditionelt ville være forbudt, men nu er mulig og tillader dannelsen af ​​fuldt fungerende enheder i et enkelt trin," forklarer Satterthwaite.

Denne enkelttrinsproces holder 2D-materialegrænsefladen fuldstændig ren, hvilket gør det muligt for materialet at nå sine grundlæggende ydeevnegrænser uden at blive holdt tilbage af defekter eller forurening.

Og fordi overfladerne også forbliver uberørte, kan forskere konstruere overfladen af ​​2D-materialet til at danne funktioner eller forbindelser til andre komponenter. For eksempel brugte de denne teknik til at skabe p-type transistorer, som generelt er udfordrende at lave med 2D-materialer. Deres transistorer er forbedret i forhold til tidligere undersøgelser og kan give en platform til at studere og opnå den ydeevne, der er nødvendig for praktisk elektronik.

Deres tilgang kan udføres i stor skala for at lave større arrays af enheder. Den klæbende matrix teknik kan også bruges med en række materialer og endda med andre kræfter for at øge alsidigheden af ​​denne platform. For eksempel integrerede forskerne grafen på en enhed og dannede de ønskede van der Waals-grænseflader ved hjælp af en matrix lavet med en polymer. I dette tilfælde er adhæsion afhængig af kemiske interaktioner i stedet for van der Waals-kræfter alene.

I fremtiden ønsker forskerne at bygge videre på denne platform for at muliggøre integration af et mangfoldigt bibliotek af 2D-materialer for at studere deres iboende egenskaber uden påvirkning af behandlingsskader og udvikle nye enhedsplatforme, der udnytter disse overlegne funktionaliteter.

Flere oplysninger: Farnaz Niroui et al., Van der Waals-integration ud over grænserne for van der Waals-kræfter ved hjælp af klæbende matrixoverførsel, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01079-8

Journaloplysninger: Naturelektronik

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

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.