Halfgeleiders, wat de basisbouwstenen zijn van transistors, microprocessoren, lasers, en LED's, hebben geleid tot vooruitgang in de informatica, geheugen, communicatie, en verlichtingstechnologieën sinds het midden van de 20e eeuw. Onlangs ontdekte tweedimensionale materialen, die vele overtreffende trap eigenschappen hebben, het potentieel hebben om deze technologieën vooruit te helpen, maar het creëren van 2D-apparaten met zowel goede elektrische contacten als stabiele prestaties bleek een uitdaging.

Onderzoekers van Columbia Engineering melden dat ze een bijna ideale transistor hebben aangetoond die is gemaakt van een tweedimensionale (2-D) materiaalstapel - met slechts een halfgeleidende laag van slechts twee atomen - door een volledig schoon en schadevrij fabricageproces te ontwikkelen. Hun methode vertoont sterk verbeterde prestaties in vergelijking met 2D-halfgeleiders die zijn vervaardigd met een conventioneel proces, en zou in de toekomst een schaalbaar platform kunnen bieden voor het maken van ultraschone apparaten. Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Natuur Elektronica .

"Apparaten maken van 2D-materialen is een rommelige aangelegenheid, " zegt James Teherani, universitair docent elektrotechniek. "Apparaten variëren enorm van run tot run en gaan vaak zo snel achteruit dat je de prestaties ziet afnemen terwijl je ze nog aan het meten bent."

Nu ik moe ben geworden van de inconsistente resultaten, Het team van Teherani ging op zoek naar een betere manier om stabiele apparaten te maken. "Dus, " hij legt uit, "we besloten om het ongerepte apparaat te scheiden van de vuile fabricageprocessen die tot variabiliteit leiden."

Zoals blijkt uit deze nieuwe studie, Teherani en zijn collega's ontwikkelden een tweestaps, ultraschoon nanofabricageproces dat de "rommelige" fabricagestappen scheidt - die waarbij "vuile" metallisatie betrokken is, Chemicaliën, en polymeren die worden gebruikt om elektrische verbindingen met het apparaat te vormen - van de actieve halfgeleiderlaag. Zodra ze de rommelige fabricage hebben voltooid, ze kunnen de contacten oppakken en overbrengen naar de schone actieve apparaatlaag, behoud van de integriteit van beide lagen.

"De dunheid van deze halfgeleiders is een zegen en een vloek, "zegt Teherani. "Hoewel ze door hun dunheid transparant zijn en kunnen worden opgepakt en geplaatst waar je maar wilt, de dunheid betekent ook dat er bijna geen volume is - het apparaat is bijna volledig oppervlak. Daarom, elk oppervlaktevuil of elke verontreiniging zal een apparaat echt aantasten."

Momenteel, de meeste apparaten zijn niet ingekapseld met een laag die het oppervlak en de contacten beschermt tegen verontreiniging tijdens de fabricage. Het team van Teherani toonde aan dat hun methode nu niet alleen de halfgeleiderlaag kan beschermen, zodat ze na verloop van tijd geen prestatievermindering zien, maar het kan ook hoogwaardige apparaten opleveren.

Teherani werkte samen met Jim Hone, Wang Fong-Jen Hoogleraar Werktuigbouwkunde, gebruikmakend van de fabricage- en analysefaciliteiten van het Columbia Nano Initiative en het door de National Science Foundation gefinancierde Materials Research Science and Engineering Center in Columbia. Het team maakte de overgedragen contacten van metaal ingebed in isolerend hexagonaal boornitride (h-BN) buiten een handschoenenkastje en bracht de contactlaag vervolgens droog over op de 2D-halfgeleider, die ongerept werd gehouden in een stikstof-handschoenenkastje. Dit proces voorkomt door directe metallisatie veroorzaakte schade en zorgt tegelijkertijd voor inkapseling om het apparaat te beschermen.

Nu de onderzoekers een stabiele, herhaalbaar proces, ze gebruiken het platform om apparaten te maken die uit het lab kunnen worden verplaatst naar echte technische problemen.

"De ontwikkeling van hoogwaardige 2D-apparaten vereist vooruitgang in de halfgeleidermaterialen waaruit ze zijn gemaakt, " Teherani voegt toe. "Met preciezere tools zoals de onze kunnen we complexere structuren bouwen met mogelijk meer functionaliteit en betere prestaties."

De studie is getiteld "Overgedragen via contacten als platform voor ideale tweedimensionale transistors."