Halfgeleiders, metalen en isolatoren moeten worden geïntegreerd om de transistors te maken die de elektronische bouwstenen van uw smartphone zijn, computer en andere microchip-compatibele apparaten. De transistors van vandaag zijn minuscuul - slechts 10 nanometer breed - en gevormd uit driedimensionale (3D) kristallen.

Maar er doemt een ontwrichtende nieuwe technologie op die gebruik maakt van tweedimensionale (2D) kristallen, slechts 1 nanometer dik, om ultradunne elektronica mogelijk te maken. Wetenschappers over de hele wereld onderzoeken 2D-kristallen gemaakt van gewone gelaagde materialen om het elektronentransport binnen slechts twee dimensies te beperken. Onderzoekers hadden eerder manieren gevonden om enkele lagen koolstofatomen, grafeen genaamd, lithografisch te modelleren in lintachtige "draden", compleet met isolatie door een vergelijkbare laag boornitride. Maar tot nu toe ontbrak het hen aan synthese- en verwerkingsmethoden om knooppunten tussen twee verschillende halfgeleiders lithografisch te modelleren in een enkele nanometer dikke laag om transistors te vormen, de bouwstenen van ultradunne elektronische apparaten.

Nu voor het eerst, onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een nieuw syntheseproces gecombineerd met commerciële elektronenstraallithografietechnieken om arrays van halfgeleiderovergangen in willekeurige patronen binnen een enkele, nanometer dik halfgeleiderkristal. Het proces is gebaseerd op het transformeren van patroongebieden van een bestaande, enkellaags kristal in een ander. De onderzoekers groeiden eerst single, nanometerdikke lagen molybdeendiselenidekristallen op substraten en vervolgens beschermende patronen van siliciumoxide afgezet met behulp van standaard lithografietechnieken. Daarna bombardeerden ze de blootgestelde delen van de kristallen met een laser-gegenereerde straal van zwavelatomen. De zwavelatomen vervingen de seleniumatomen in de kristallen om molybdeendisulfide te vormen, die een bijna identieke kristalstructuur heeft. De twee halfgeleiderkristallen vormden scherpe kruispunten, de gewenste bouwstenen van elektronica. Natuurcommunicatie meldt de prestatie.

"We kunnen letterlijk elk soort patroon maken dat we willen, " zei Masoud Mahjouri-Samani, die samen met David Geohegan de studie leidde. Geohegan, hoofd van ORNL's Nanomaterials Synthesis and Functional Assembly Group bij het Centre for Nanophase Materials Sciences, is de hoofdonderzoeker van een basiswetenschappelijk project van het Department of Energy dat zich richt op de groeimechanismen en gecontroleerde synthese van nanomaterialen. Miljoenen 2D-bouwstenen met talrijke patronen kunnen gelijktijdig worden gemaakt, Mahjouri-Samani toegevoegd. In de toekomst, het is misschien mogelijk om verschillende patronen aan de boven- en onderkant van een vel te maken. Verdere complexiteit zou kunnen worden geïntroduceerd door vellen met verschillende patronen in lagen aan te brengen.

Geohegan toegevoegd, "De ontwikkeling van een schaalbare, eenvoudig te implementeren proces om lithografisch patroon te vormen en gemakkelijk laterale halfgeleidende heterojuncties in tweedimensionale kristallen te vormen, vervult een kritieke behoefte aan 'bouwstenen' om ultradunne apparaten van de volgende generatie mogelijk te maken voor toepassingen variërend van flexibele consumentenelektronica tot zonne-energie."

De bandgap afstemmen

"We kozen voor gepulseerde laserdepositie van zwavel vanwege de digitale controle die het je geeft over de flux van het materiaal dat naar de oppervlakte komt, "zei Mahjouri-Samani. "Je kunt in principe elke soort tussenlegering maken. Je kunt gewoon vervangen, zeggen, 20 procent van het selenium met zwavel, of 30 procent, of 50 procent." Toegevoegd Geohegan, "Met pulserende laserdepositie kan ook de kinetische energie van de zwavelatomen worden afgestemd, waardoor u een breder scala aan verwerkingsomstandigheden kunt verkennen."

Het is belangrijk dat door de verhouding van zwavel tot selenium in het kristal te regelen, de onderzoekers kunnen de bandgap van de halfgeleiders afstemmen, een attribuut dat elektronische en optische eigenschappen bepaalt. Om opto-elektronische apparaten zoals elektroluminescente displays te maken, microchipfabrikanten integreren halfgeleiders met verschillende bandgaps. Bijvoorbeeld, De bandgap van molybdeendisulfide is groter dan die van molybdeendiselenide. Het aanbrengen van spanning op een kristal dat beide halfgeleiders bevat, zorgt ervoor dat elektronen en "gaten" (positieve ladingen die ontstaan ​​wanneer elektronen vrijkomen) van molybdeendisulfide naar molybdeendiselenide gaan en opnieuw combineren om licht uit te zenden bij de bandgap van molybdeendiselenide. Om die reden, engineering van de bandgaps van monolaagsystemen kan het genereren van licht met veel verschillende kleuren mogelijk maken, en om andere toepassingen mogelijk te maken, zoals transistors en sensoren, zei Mahjouri-Samani.

Vervolgens gaan de onderzoekers kijken of hun gepulste laserverdampings- en conversiemethode ook werkt met andere atomen dan zwavel en selenium. "We proberen complexere systemen in een 2D-vlak te maken - meer ingrediënten integreren, zet verschillende bouwstenen in - want aan het eind van de dag, een compleet werkend apparaat heeft verschillende halfgeleiders en metalen en isolatoren nodig, ' zei Mahjouri-Samani.

Om het proces van het omzetten van een nanometer dik kristal in een ander te begrijpen, de onderzoekers gebruikten krachtige elektronenmicroscopiemogelijkheden die beschikbaar zijn bij ORNL, met name atomaire resolutie Z-contrast scanning transmissie-elektronenmicroscopie, die in het laboratorium is ontwikkeld en nu beschikbaar is voor wetenschappers over de hele wereld met behulp van het Center for Nanophase Materials Sciences. Door deze techniek toe te passen, elektronenmicroscopisten Andrew Lupini en gastwetenschapper Leonardo Basile beeldden hexagonale netwerken van afzonderlijke kolommen van atomen af ​​in de nanometerdikke molybdeendiselenide- en molybdeendisulfidekristallen.

"We could directly distinguish between sulfur and selenium atoms by their intensities in the image, " Lupini said. "These images and electron energy loss spectroscopy allowed the team to characterize the semiconductor heterojunction with atomic precision."