Naarmate elektronica kleiner wordt, onderzoekers zijn op zoek naar kleine componenten die betrouwbaar functioneren in steeds smallere configuraties. Veelbelovende elementen zijn onder meer de chemische verbindingen indiumselenide (InSe) en galliumselenide (GaSe). In de vorm van ultradunne lagen, ze vormen tweedimensionale (2-D) halfgeleiders. Maar, tot dusver, ze zijn nauwelijks gebruikt omdat ze degraderen als ze tijdens de fabricage in contact komen met lucht. Nutsvoorzieningen, een nieuwe techniek maakt het mogelijk om het gevoelige materiaal in elektronische componenten te integreren zonder de gewenste eigenschappen te verliezen. De methode, die is beschreven in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces , werd ontwikkeld door Himani Arora, een promovendus in de natuurkunde aan het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

"We zijn erin geslaagd om ingekapselde transistors te maken op basis van indiumselenide en galliumselenide, " meldt Dr. Artur Erbe, hoofd van de groep Transport in Nanostructures bij HZDR's Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "De inkapselingstechniek beschermt de gevoelige lagen tegen externe invloeden en behoudt zijn prestaties."

Voor inkapseling, de wetenschappers gebruiken hexagonaal boornitride (hBN). Het is ideaal voor dit doel omdat het tot een dunne laag kan worden gevormd en ook inert is, dus het reageert niet op zijn omgeving.

Indium en galliumselenide worden gezien als veelbelovende kandidaten voor verschillende toepassingen op gebieden zoals hoogfrequente elektronica, opto-elektronica en sensortechnologie. Van deze materialen kunnen vlokachtige films worden gemaakt die slechts vijf tot tien atoomlagen dik zijn, waarmee elektronische componenten van extreem kleine afmetingen kunnen worden geproduceerd.

Tijdens het inkapselen, de 2-D vlokken zijn tussen twee lagen hexagonaal boornitride aangebracht en dus volledig ingesloten. De bovenste hBN-laag is verantwoordelijk voor de uitwendige isolatie, de onderste voor het behouden van afstand tot de ondergrond. De techniek is oorspronkelijk ontwikkeld door de groep van James Hone aan de Columbia University in New York, waar Himani Arora het leerde tijdens een onderzoeksbezoek. De promovendus werkte vervolgens aan het onderwerp bij NanoNet van de International Helmholtz Research School (IHRS) van de HZDR.

Contacten toepassen zonder lithografie

Een van de bijzonder grote uitdagingen van de inkapselingstechniek was het aanbrengen van externe contacten op de halfgeleiders. De gebruikelijke methode van verdamping met een fotomasker is niet geschikt, want tijdens dit proces de gevoelige materialen komen zowel in contact met chemicaliën als met lucht en worden zo afgebroken. Dus gebruikten de HZDR-onderzoekers een lithografievrije contacttechniek met metalen elektroden van palladium en goud ingebed in hBN-folie. Dit betekent dat de inkapseling en het elektrisch contact met de 2D-laag eronder gelijktijdig kunnen worden bereikt.

"Om de contacten te leggen, het gewenste elektrodenpatroon wordt op de hBN-laag geëtst zodat de ontstane gaten door middel van elektronenbundelverdamping kunnen worden gevuld met palladium en goud, "Himani Arora legt uit. "Vervolgens lamineer je de hBN-folie met de elektroden op de 2-D-flake." Als er meerdere contacten op een hBN-wafer zitten, contact met meerdere circuits kan worden gemaakt en gemeten. Voor latere toepassing, de componenten worden in lagen gestapeld.

Zoals de experimenten hebben aangetoond, volledige inkapseling met hexagonaal boornitride beschermt de 2D-lagen tegen afbraak en degradatie en zorgt voor langdurige kwaliteit en stabiliteit. De bij HZDR ontwikkelde inkapselingstechniek is robuust en eenvoudig toe te passen op andere complexe 2D-materialen. Dit opent nieuwe wegen voor zowel fundamentele studies als de integratie van deze materialen in technologische toepassingen. De nieuwe tweedimensionale halfgeleiders zijn goedkoop te produceren en kunnen voor verschillende toepassingen worden gebruikt, zoals detectoren die lichtgolflengten meten. Een ander voorbeeld van gebruik zou zijn als koppelaars tussen licht en elektronische stroom door licht te genereren of transistors te schakelen met behulp van licht.