Onderzoekers van de Johns Hopkins University hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het produceren van atomair dunne halfgeleidende kristallen die op een dag krachtigere en compactere elektronische apparaten mogelijk zouden kunnen maken.

Door speciaal behandelde siliciumoppervlakken te gebruiken om de grootte en vorm van de kristallen aan te passen, de onderzoekers hebben een potentieel snellere en goedkopere manier gevonden om halfgeleiderkristallen van de volgende generatie voor microchips te produceren. De kristallijne materialen die op deze manier worden geproduceerd, kunnen op hun beurt nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen mogelijk maken en technologische ontwikkelingen in quantum computing versnellen, consumentenelektronica, en hogere efficiëntie zonnecellen en batterijen.

De bevindingen worden beschreven in een paper dat vandaag is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"Met een methode om kristallen precies op nanoschaal te vormen, snel, en zonder de noodzaak van traditionele top-down processen, biedt grote voordelen voor het wijdverbreide gebruik van nanomaterialen in technologische toepassingen, " zei Thomas J. Kempa, een professor scheikunde aan de Johns Hopkins University die het onderzoek leidde.

Kempa's team heeft siliciumsubstraten - de dragers die veel worden gebruikt in industriële omgevingen om halfgeleiders tot apparaten te verwerken - eerst overgoten met fosfinegas. Toen kristallen werden overgehaald om te groeien op de met fosfine behandelde siliciumdragers, de auteurs ontdekten dat ze uitgroeiden tot structuren die veel kleiner en van hogere kwaliteit waren dan kristallen die op traditionele wijze waren bereid.

De onderzoekers ontdekten dat de reactie van fosfine met de siliciumdrager de vorming van een nieuw 'designeroppervlak' veroorzaakte. Dit oppervlak spoorde de kristallen aan om te groeien als horizontale "linten" in tegenstelling tot de vlakke en driehoekig gevormde platen die typisch worden geproduceerd. Bovendien, de uniforme teint en de strakke structuur van deze linten wedijverden met de kwaliteit van nanokristallen die zijn bereid door middel van industriestandaard patroon- en etsprocessen, die vaak arbeidsintensief zijn, lang, en duur, zei Kempa.

De nanokristallen die in deze studie zijn bereid, worden "transition metal dichalcogenides" of TMD's genoemd. zoals grafeen, TMD's hebben wijdverbreide aandacht gekregen voor het bezitten van krachtige eigenschappen die een uniek gevolg zijn van hun "tweedimensionale" schaal. Maar conventionele verwerkingsmethoden hebben moeite om de textuur van TMD's gemakkelijk te veranderen op manieren die passen bij nieuwe ontdekkingen en de ontwikkeling van beter presterende technologieën.

Opmerkelijk, de versies van TMD's die Kempa en zijn team konden maken, waren zo klein dat ze ze 'eendimensionaal' noemden om ze te onderscheiden van de gebruikelijke tweedimensionale platen waarmee de meeste onderzoekers bekend zijn.

Beperkingen op het gebied van materiaalverwerking zijn een van de redenen waarom de wet van Moore de afgelopen jaren is vertraagd. De regel, gesteld in 1965 door Intel mede-oprichter Gordon E. Moore, stelt dat het aantal transistoren, en hun prestaties, in een dicht geïntegreerd circuit zal ongeveer elke twee jaar verdubbelen. Zoveel micron-sized transistors in microchips verpakken, of geïntegreerde schakelingen, is de reden dat consumentenelektronica steeds kleiner is geworden, sneller, en slimmer in de afgelopen decennia.

Echter, de halfgeleiderindustrie worstelt nu om dat tempo vast te houden.

Opvallende kenmerken van de kristallen die door Kempa en zijn team zijn bereid, zijn onder meer:

1. Hun zeer uniforme atomaire structuur en kwaliteit komt voort uit het feit dat ze werden gesynthetiseerd in plaats van gefabriceerd via de traditionele methoden van patroonvorming en etsen. De elegante kwaliteit van deze kristallen zou ze efficiënter kunnen maken bij het geleiden en omzetten van energie in zonnecellen of katalysatoren.
2. Onderzoekers waren in staat om de kristallen direct naar hun precieze specificaties te laten groeien door de hoeveelheid fosfine te veranderen.
3. Het "designersubstraat" is "modulair, " wat betekent dat academische en industriële laboratoria deze technologie zouden kunnen gebruiken in combinatie met andere bestaande kristalgroeiprocessen om nieuwe materialen te maken.
4. De "designersubstraten" zijn ook herbruikbaar, geld en tijd besparen bij de verwerking.
5. Het resulterende lintvormige, eendimensionale kristallen stralen licht uit waarvan de kleur kan worden afgestemd door de lintbreedte aan te passen, wat hun potentiële belofte in kwantuminformatietoepassingen aangeeft.

"We dragen bij aan een fundamentele vooruitgang in de rationele controle van de vorm en dimensie van materialen op nanoschaal, ' zei Kempa.

Deze methode kan "kristallen op nanoschaal vormen op manieren die voorheen niet gemakkelijk mogelijk waren, " voegde hij eraan toe. "Zo'n nauwkeurige synthetische controle van de kristalgrootte op deze lengteschalen is ongekend."

"Onze methode kan aanzienlijke verwerkingstijd en geld besparen, " zei hij. "Ons vermogen om deze kristallen naar believen te beheersen, zou toepassingen in energieopslag mogelijk kunnen maken, kwantumcomputing en kwantumcryptografie."