Tweedimensionale materialen, die slechts een paar atomen dik zijn, kunnen ongelooflijke eigenschappen vertonen, zoals het vermogen om elektrische lading uiterst efficiënt te transporteren, wat de prestaties van elektronische apparaten van de volgende generatie zou kunnen verbeteren.

Het integreren van 2D-materialen in apparaten en systemen zoals computerchips is echter notoir moeilijk. Deze ultradunne structuren kunnen worden beschadigd door conventionele fabricagetechnieken, die vaak afhankelijk zijn van het gebruik van chemicaliën, hoge temperaturen of destructieve processen zoals etsen.

Om deze uitdaging te overwinnen hebben onderzoekers van MIT en elders een nieuwe techniek ontwikkeld om 2D-materialen in één stap in apparaten te integreren, terwijl de oppervlakken van de materialen en de resulterende interfaces ongerept en vrij van defecten blijven.

Hun methode is gebaseerd op technische oppervlaktekrachten die op nanoschaal beschikbaar zijn, zodat het 2D-materiaal fysiek op andere vooraf gebouwde apparaatlagen kan worden gestapeld. Omdat het 2D-materiaal onbeschadigd blijft, kunnen de onderzoekers optimaal profiteren van de unieke optische en elektrische eigenschappen ervan.

Ze gebruikten deze aanpak om reeksen 2D-transistors te fabriceren die nieuwe functionaliteiten bereikten in vergelijking met apparaten die met conventionele fabricagetechnieken waren geproduceerd. Hun methode, die veelzijdig genoeg is om met veel materialen te worden gebruikt, zou diverse toepassingen kunnen hebben in krachtige computers, detectie en flexibele elektronica.

De kern van het ontsluiten van deze nieuwe functionaliteiten is het vermogen om schone interfaces te vormen, bij elkaar gehouden door speciale krachten die tussen alle materie bestaan, de zogenaamde van der Waals-krachten.

Een dergelijke Van der Waals-integratie van materialen in volledig functionele apparaten is echter niet altijd eenvoudig, zegt Farnaz Niroui, assistent-professor elektrotechniek en computerwetenschappen (EECS), lid van het Research Laboratory of Electronics (RLE), en senior auteur van een nieuw artikel waarin het werk wordt beschreven.

“Van der Waals-integratie kent een fundamentele grens”, legt ze uit. "Omdat deze krachten afhankelijk zijn van de intrinsieke eigenschappen van de materialen, kunnen ze niet gemakkelijk worden afgestemd. Als gevolg hiervan zijn er enkele materialen die niet direct met elkaar kunnen worden geïntegreerd met behulp van alleen hun van der Waals-interacties. We hebben een platform ontwikkeld om dit aan te pakken deze limiet om de Van der Waals-integratie veelzijdiger te maken, om de ontwikkeling van op 2D-materialen gebaseerde apparaten met nieuwe en verbeterde functionaliteiten te bevorderen."

Het onderzoek zal worden gepubliceerd in Nature Electronics .

Voordelige aantrekkingskracht

Het maken van complexe systemen zoals een computerchip met conventionele fabricagetechnieken kan rommelig worden. Typisch wordt een stijf materiaal zoals silicium tot op nanoschaal gebeiteld en vervolgens gekoppeld aan andere componenten zoals metalen elektroden en isolatielagen om een ​​actief apparaat te vormen. Een dergelijke verwerking kan schade aan de materialen veroorzaken.

Onlangs hebben onderzoekers zich geconcentreerd op het bouwen van apparaten en systemen van onderaf, met behulp van 2D-materialen en een proces dat sequentieel fysiek stapelen vereist. Bij deze aanpak gebruiken onderzoekers, in plaats van chemische lijmen of hoge temperaturen te gebruiken om een ​​kwetsbaar 2D-materiaal aan een conventioneel oppervlak zoals silicium te hechten, de krachten van Van der Waals om een ​​laag 2D-materiaal fysiek op een apparaat te integreren.

Van der Waalskrachten zijn natuurlijke aantrekkingskrachten die bestaan ​​tussen alle materie. De poten van een gekko kunnen bijvoorbeeld tijdelijk aan de muur blijven plakken door van der Waals-krachten.

Hoewel alle materialen een Van der Waals-interactie vertonen, zijn de krachten, afhankelijk van het materiaal, niet altijd sterk genoeg om ze bij elkaar te houden. Een populair halfgeleidend 2D-materiaal, bekend als molybdeendisulfide, zal zich bijvoorbeeld hechten aan goud, een metaal, maar zal niet rechtstreeks worden overgedragen op isolatoren zoals siliciumdioxide door simpelweg in fysiek contact te komen met dat oppervlak.

Echter, heterostructuren gemaakt door het integreren van halfgeleider- en isolatielagen zijn belangrijke bouwstenen van een elektronisch apparaat. Voorheen werd deze integratie mogelijk gemaakt door het 2D-materiaal aan een tussenlaag zoals goud te hechten en vervolgens deze tussenlaag te gebruiken om het 2D-materiaal op de isolator over te brengen voordat de tussenlaag werd verwijderd met behulp van chemicaliën of hoge temperaturen.

In plaats van deze opofferingslaag te gebruiken, hebben de MIT-onderzoekers de isolator met lage adhesie ingebed in een matrix met hoge adhesie. Deze lijmmatrix zorgt ervoor dat het 2D-materiaal aan het ingebedde oppervlak met lage adhesie blijft plakken, waardoor de krachten worden geleverd die nodig zijn om een ​​Van der Waals-interface tussen het 2D-materiaal en de isolator te creëren.

De matrix maken

Om elektronische apparaten te maken, vormen ze een hybride oppervlak van metalen en isolatoren op een dragersubstraat. Dit oppervlak wordt vervolgens afgepeld en omgedraaid om een ​​volledig glad bovenoppervlak te onthullen dat de bouwstenen van het gewenste apparaat bevat.

Deze gladheid is belangrijk omdat gaten tussen het oppervlak en 2D-materiaal de Van der Waals-interacties kunnen belemmeren. Vervolgens bereiden de onderzoekers het 2D-materiaal afzonderlijk voor in een volledig schone omgeving en brengen het in direct contact met de voorbereide apparatenstapel.

"Zodra het hybride oppervlak in contact is gebracht met de 2D-laag, zonder dat er hoge temperaturen, oplosmiddelen of opofferingslagen nodig zijn, kan het de 2D-laag oppakken en integreren met het oppervlak. Op deze manier laten we een van der Waals integratie die traditioneel verboden zou zijn, maar nu mogelijk is en de vorming van volledig functionerende apparaten in één stap mogelijk maakt", legt Satterthwaite uit.

Dit proces in één stap houdt de 2D-materiaalinterface volledig schoon, waardoor het materiaal zijn fundamentele prestatielimieten kan bereiken zonder te worden tegengehouden door defecten of vervuiling.

En omdat de oppervlakken ook ongerept blijven, kunnen onderzoekers het oppervlak van het 2D-materiaal zodanig bewerken dat er kenmerken of verbindingen met andere componenten ontstaan. Ze gebruikten deze techniek bijvoorbeeld om p-type transistors te maken, die over het algemeen lastig te maken zijn met 2D-materialen. Hun transistors zijn verbeterd ten opzichte van eerdere onderzoeken en kunnen een platform bieden voor het bestuderen en bereiken van de prestaties die nodig zijn voor praktische elektronica.

Hun aanpak kan op schaal worden uitgevoerd om grotere reeksen apparaten te maken. De lijmmatrixtechniek kan ook worden gebruikt met een reeks materialen en zelfs met andere krachten om de veelzijdigheid van dit platform te vergroten. De onderzoekers integreerden bijvoorbeeld grafeen in een apparaat en vormden de gewenste Van der Waals-interfaces met behulp van een matrix gemaakt met een polymeer. In dit geval is de hechting afhankelijk van chemische interacties in plaats van alleen van der Waals-krachten.

In de toekomst willen de onderzoekers op dit platform voortbouwen om de integratie van een diverse bibliotheek van 2D-materialen mogelijk te maken om hun intrinsieke eigenschappen te bestuderen zonder de invloed van verwerkingsschade en om nieuwe apparaatplatforms te ontwikkelen die deze superieure functionaliteiten benutten.

Meer informatie: Farnaz Niroui et al, Van der Waals-integratie voorbij de grenzen van van der Waals-krachten met behulp van lijmoverdracht, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01079-8

Journaalinformatie: Natuurelektronica

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

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.