Exotische 2D-materialen zijn veelbelovend voor het maken van atoomdunne circuits die flexibele elektronica van stroom kunnen voorzien, opto-elektronica, en andere apparaten van de volgende generatie. Maar het fabriceren van complexe 2D-circuits vereist meerdere tijdrovende, dure stappen.

In een paper gepubliceerd in PNAS , onderzoekers van MIT en elders beschrijven een techniek die het fabricageproces stroomlijnt, door een 2D-materiaal rechtstreeks op een patroonsubstraat te laten groeien en de circuitpatronen te recyclen.

De onderzoekers kweken voorzichtig een enkele laag molybdeendisulfide (MoS ₂ ), die slechts drie atomen dik is, op een groeisubstraat in een gekozen patroon. Deze aanpak verschilt van traditionele technieken die een materiaal iteratief laten groeien en wegetsen, over meerdere lagen. Die processen duren even en vergroten de kans op het veroorzaken van oppervlaktedefecten die de prestaties van het materiaal kunnen belemmeren.

Met de nieuwe methode alleen water gebruiken, de onderzoekers kunnen het materiaal zo schoon van het groeisubstraat naar het bestemmingssubstraat overbrengen dat het originele patroonsubstraat kan worden hergebruikt als een "master-replica" type mal, wat een herbruikbare sjabloon voor productie betekent. Bij traditionele fabricage, groeisubstraten worden weggegooid na elke materiaaloverdracht, en het circuit moet opnieuw van een patroon worden voorzien op een nieuw substraat om meer materiaal te laten groeien.

"Als we opschalen en complexere elektronische apparaten maken, mensen moeten talloze 2D-materialen integreren in meer lagen en specifieke vormen. Als we traditionele methoden volgen, stap voor stap, het zal zeer tijdrovend en inefficiënt zijn, " zegt de eerste auteur Yunfan Guo, een postdoc bij de afdeling Electrical Engineering and Computer Science (EECS) en het Research Laboratory of Electronics. "Onze methode toont het potentieel om het hele fabricageproces eenvoudiger te maken, lagere kost, en efficiënter."

In hun werk, de onderzoekers fabriceerden willekeurige patronen en een werkende transistor gemaakt van MoS ₂ , wat een van de dunste bekende halfgeleiders is. In hun studie hebben de onderzoekers recyclen hetzelfde patroonsubstraat vier keer zonder tekenen van slijtage te zien.

Guo wordt op het papier vergezeld door EECS-professoren Tomas Palacios en Jing Kong; Ju Li, een MIT-professor nucleaire wetenschap en techniek en materiaalwetenschap en techniek; Xi Ling van de Universiteit van Boston; Letian Dou en Enzheng Shi van Purdue University; zeven andere MIT-afgestudeerde studenten, postdocs, en oud-studenten; en twee andere co-auteurs van Cornell University en Purdue University.

Gecontroleerde groei

Om een ​​patroon op een groeisubstraat te ontwerpen, de onderzoekers gebruikten een techniek die op zuurstof gebaseerd plasma gebruikt om patronen in het oppervlak van een substraat te snijden. Een versie van deze techniek is eerder experimenteel gebruikt om 2D-materiaalpatronen te laten groeien. Maar de ruimtelijke resolutie - dat wil zeggen de grootte van precieze structuren die kunnen worden gefabriceerd - is relatief slecht (100 micron), en de elektrische prestaties zijn veel lager dan bij materialen die met andere methoden zijn gekweekt.

Om dit op te lossen, deden de onderzoekers diepgaand onderzoek naar hoe MoS ₂ atomen rangschikken zich op een substraatoppervlak en hoe bepaalde chemische voorlopers de groei van het materiaal kunnen helpen beheersen. Daarbij, ze waren in staat om de techniek te gebruiken om een ​​enkele laag hoogwaardige MoS . te kweken ₂ binnen precieze patronen.

De onderzoekers gebruikten traditionele fotolithografische maskers op een siliciumoxidesubstraat, waar het gewenste patroon ligt in gebieden die niet aan licht zijn blootgesteld. Die gebieden worden vervolgens blootgesteld aan het op zuurstof gebaseerde plasma. Het plasma etst ongeveer 1-2 nanometer van het substraat in het patroon weg.

Dit proces zorgt ook voor een hogere oppervlakte-energie en een verhoogde affiniteit voor waterminnende ("hydrofiele") moleculen in deze met plasma behandelde gebieden. De onderzoekers gebruiken dan een organisch zout, genaamd PTAS, dat fungeert als groeibevorderaar voor MoS ₂ . Het zout wordt aangetrokken door de nieuw gecreëerde hydrofiele geëtste gebieden. In aanvulling, de onderzoekers gebruikten zwavel, een essentiële voorloper voor MoS ₂ groei, met een precieze hoeveelheid en temperatuur om precies te regelen hoeveel van de atomen van het materiaal zich op het substraat zullen vormen.

Toen de onderzoekers vervolgens de MoS . meten ₂ groei, ze vonden dat het ongeveer 0,7 nanometer van het geëtste patroon vulde. Dat komt overeen met precies één laag MoS ₂ .

Gerecycleerde patronen

Volgende, de onderzoekers ontwikkelden een methode om het patroonsubstraat te recyclen. traditioneel, het overbrengen van 2D-materialen van een groeisubstraat naar een bestemmingssubstraat, zoals een flexibel oppervlak, vereist het omhullen van het hele gekweekte materiaal in een polymeer, chemisch etsen, en het te scheiden van zijn groeisubstraat. Maar dit brengt onvermijdelijk verontreinigingen in het materiaal met zich mee. Toen het materiaal vrijkwam, het laat ook residu achter, zodat de originele ondergronden niet opnieuw mogen worden gebruikt.

Door de zwakke interactie tussen MoS ₂ en het groeisubstraat, echter, de onderzoekers ontdekten dat ze de MoS . konden losmaken ₂ schoon van het oorspronkelijke substraat door het in water onder te dompelen. Dit proces, genaamd "delaminatie, " elimineert de noodzaak van het gebruik van een ondersteunende laag en zorgt voor een zuivere breuk met het materiaal van de ondergrond.

"Daarom kunnen we het recyclen, " zegt Guo. "Nadat het is overgedragen, omdat het puur schoon is, ons patroonsubstraat is teruggewonnen en we kunnen het gebruiken voor meerdere teelten."

De innovaties van de onderzoekers introduceren veel minder oppervlaktedefecten die de prestaties beperken, zoals gemeten in elektronenmobiliteit - hoe snel elektronen door een halfgeleider bewegen.

In hun krant de onderzoekers fabriceerden een 2D-transistor, een veldeffecttransistor genoemd. De resultaten geven aan dat de elektronenmobiliteit en "aan-uit-verhouding" - hoe efficiënt een transistor tussen de 1 en 0 computationele toestanden flikkert - vergelijkbaar zijn met de gerapporteerde waarden van traditioneel gekweekte hoogwaardige, hoogwaardige materialen.

De veldeffecttransistor heeft momenteel een ruimtelijke resolutie van ongeveer 2 micron, die alleen wordt beperkt door de laser van de microfabricage-instrumenten die de onderzoekers gebruikten. Volgende, de onderzoekers hopen de patroongrootte te verkleinen, en directe integratie van complexe circuits op 2D-materialen met behulp van hun fabricagetechniek.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.