Wetenschappers van Rice University hebben een belangrijke stap gezet in de richting van de creatie van tweedimensionale elektronica met een proces om patronen te maken in atoomdikke lagen die een geleider en een isolator combineren.

De materialen die in het spel zijn - grafeen en hexagonaal boornitride - zijn samengevoegd tot platen en ingebouwd in een verscheidenheid aan patronen op nanoschaaldimensies.

Rice introduceerde bijna drie jaar geleden een techniek om identiek gestructureerde materialen aan elkaar te naaien. Vanaf dat moment, het idee heeft veel aandacht gekregen van onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het vooruitzicht om 2-D te bouwen, atomaire laag circuits, zei Rice materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan. Hij is een van de auteurs van het nieuwe werk dat deze week verschijnt in Natuur Nanotechnologie . Vooral, Ajayan merkte op dat wetenschappers van de Cornell University eind vorig jaar een vooruitgang rapporteerden in de kunst van het maken van heterostructuren in atomaire lagen door middel van opeenvolgende groeischema's.

De bijdrage van Rice van deze week biedt fabrikanten de mogelijkheid om elektronische apparaten te verkleinen tot nog kleinere verpakkingen. Hoewel de technische mogelijkheden van Rice de functies beperkten tot een resolutie van ongeveer 100 nanometer, de enige echte grenzen zijn die gedefinieerd door moderne lithografische technieken, volgens de onderzoekers. (Een nanometer is een miljardste van een meter.)

"Het moet mogelijk zijn om volledig functionele apparaten te maken met circuits 30, zelfs 20 nanometer breed, alles in twee dimensies, " zei Rice-onderzoeker Jun Lou, een co-auteur van het nieuwe artikel. Dat zou circuits maken op ongeveer dezelfde schaal als in de huidige fabricage van halfgeleiders, hij zei.

Grafeen wordt sinds de ontdekking in het afgelopen decennium aangeprezen als een wondermateriaal. Zelfs met een dikte van één atoom, de hexagonale reeks koolstofatomen heeft zijn potentieel als fascinerend elektronisch materiaal bewezen. Maar om een ​​werkend apparaat te bouwen, dirigenten alleen zijn niet voldoende. Op grafeen gebaseerde elektronica vereist vergelijkbare, compatibele 2D-materialen voor andere componenten, en onderzoekers hebben ontdekt dat hexagonaal boornitride (h-BN) goed werkt als een isolator.

H-BN lijkt op grafeen, met dezelfde atomaire array van kippengaas. Het eerdere werk bij Rice toonde aan dat het samenvoegen van grafeen en h-BN via chemische dampafzetting (CVD) platen creëerde met pools van de twee die enige controle gaven over de elektronische eigenschappen van het materiaal. Ajayan zei destijds dat de creatie "een geweldige speeltuin voor materiaalwetenschappers" bood.

Sindsdien heeft hij geconcludeerd dat het gebied van tweedimensionale materialen buiten grafeen "aanzienlijk is gegroeid en in de nabije toekomst een van de belangrijkste opwindende materialen zal worden."

Zijn voorspelling werpt vruchten af ​​in het nieuwe werk, waarin fijn gedetailleerde patronen van grafeen worden geregen in gaten die zijn gemaakt in vellen h-BN. kammen, bars, concentrische ringen en zelfs microscopisch kleine rijstuilen werden via een lithografisch proces neergezet. De interface tussen elementen, duidelijk te zien in scanning transmissie-elektronenmicroscoopbeelden genomen bij Oak Ridge National Laboratories, toont een haarscherpe overgang van grafeen naar h-BN langs een subnanometerlijn.

"Dit is geen simpele quilt, " zei Lou. "Het is heel precies ontworpen. We kunnen de domeingroottes en de domeinvormen controleren, die beide nodig zijn om elektronische apparaten te maken."

De nieuwe techniek begon ook met CVD. Hoofdauteur Zheng Liu, een rijstonderzoeker, en zijn collega's legden eerst een vel h-BN neer. Lasergesneden fotoresistente maskers werden over de h-BN geplaatst, en blootgesteld materiaal werd weggeëtst met argongas. (Later werd een gefocusseerd ionenbundelsysteem gebruikt om nog fijnere patronen te creëren, tot 100 nanometer resolutie, zonder maskers.) Nadat de maskers waren weggewassen, grafeen werd gekweekt via CVD in de open ruimtes, waar het van rand tot rand bond met de h-BN. De hybride laag kon vervolgens worden opgepakt en op elk substraat worden geplaatst.

Hoewel er nog veel werk aan de winkel is om de atomaire bindingen te karakteriseren waar grafeen- en h-BN-domeinen elkaar ontmoeten en om mogelijke defecten langs de grenzen te analyseren, Liu's elektrische metingen hebben aangetoond dat de eigenschappen van de componenten intact blijven.

"Een belangrijk ding dat Zheng liet zien, is dat zelfs door allerlei soorten groei te doen, dan etsen, dan hergroei, de intrinsieke eigenschappen van deze twee materialen worden niet aangetast, ' zei Lou. 'Isolatoren blijven isolatoren; ze zijn niet gedoteerd door de koolstof. En het grafeen ziet er nog steeds erg goed uit. Dat is belangrijk, omdat we er zeker van willen zijn dat wat we telen precies is wat we willen."

Liu zei dat de volgende stap is om een ​​derde element te plaatsen, een halfgeleider, in de 2D-stof. "We doen erg ons best om dit in het platform te integreren, "zei hij. "Als we dat kunnen doen, we kunnen echt geïntegreerde in-plan-apparaten bouwen." Dat zou nieuwe opties bieden voor fabrikanten die spelen met het idee van flexibele elektronica, hij zei.

"De bijdrage van dit artikel is om het algemene proces te demonstreren, " voegde Lou eraan toe. "Het is robuust, het is herhaalbaar en het creëert materialen met zeer mooie eigenschappen en met afmetingen die aan de grens liggen van wat mogelijk is."