Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Atomair nauwkeurige assemblage van 2D-materialen maakt de weg vrij voor elektronica van de volgende generatie

Schaalbare laminaatstempeloverdracht. (een ) Opname van TMD uit groeisubstraat. Gedeeltelijk contact is duidelijk zichtbaar vanwege de eindige kantelhoek tussen de twee oppervlakken. (b ) Gemetalliseerd, PDMS ondersteund SiNx membraan tijdens het oppakken van een WS2 monolaag van zijn SiO2 groei substraat. Het contactgebied kan gemakkelijk worden waargenomen door de verandering in optisch contrast. (c ) De bovenste laag van WS2 uit de regio weergegeven in paneel (b) na overdracht naar WS2 met enkele lagen zoals gekweekt op SiO2 . In zowel (b) als (c) zijn lijnen mechanisch in beide oppervlakken gekrast en is het ruwe beeldcontrast kunstmatig verbeterd om de visualisatie te vergemakkelijken. De waargenomen onvolkomenheden zijn te wijten aan verschillen in laagnummer, hoge punten en stof op zowel het origineel als de doel-WS2 lagen. (d-e ) Demonstratie van 60 mm vierkante SiNx membraan (d ) als verzonnen en (e ) na overdracht op door glas ondersteunde PDMS-film voor mogelijke overdracht van CVD-materialen op volledige 2" waferschaal. Credit:Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01075-y

Onderzoekers van de Universiteit van Manchester hebben een doorbraak bereikt in de overdracht van 2D-kristallen, waardoor de weg is vrijgemaakt voor de commercialisering ervan in de volgende generatie elektronica. Deze techniek wordt gedetailleerd beschreven in een recente Nature Electronics artikel, maakt gebruik van een volledig anorganische stempel om de schoonste en meest uniforme 2D-materiaalstapels tot nu toe te creëren.



Het team, onder leiding van professor Roman Gorbatsjov van het National Graphene Institute, gebruikte de anorganische stempel om 2D-kristallen nauwkeurig te "picken en plaatsen" in Van der Waals-heterostructuren van maximaal acht afzonderlijke lagen in een ultrahoogvacuümomgeving. Deze vooruitgang resulteerde in atomair schone interfaces over uitgestrekte gebieden, een aanzienlijke sprong voorwaarts vergeleken met bestaande technieken en een cruciale stap in de richting van de commercialisering van op 2D-materiaal gebaseerde elektronische apparaten.

Bovendien minimaliseerde de stijfheid van het nieuwe stempelontwerp effectief de inhomogeniteit van de spanning in samengestelde stapels. Het team constateerde een opmerkelijke afname in lokale variatie – over een orde van grootte – bij ‘verdraaide’ interfaces, vergeleken met de huidige, ultramoderne assemblages.

Het nauwkeurig stapelen van individuele 2D-materialen in gedefinieerde reeksen biedt de mogelijkheid om designerkristallen op atomair niveau te ontwikkelen, met nieuwe hybride eigenschappen. Hoewel er talloze technieken zijn ontwikkeld om individuele lagen over te brengen, vertrouwen ze bijna allemaal op organische polymeermembranen of stempels voor mechanische ondersteuning tijdens de overgang van hun oorspronkelijke substraten naar de beoogde substraten. Helaas introduceert deze afhankelijkheid van organische materialen onvermijdelijk 2D-materiaaloppervlakteverontreiniging, zelfs in zorgvuldig gecontroleerde cleanroomomgevingen.

Vlokken in stapels stempelen

In veel gevallen zullen oppervlakteverontreinigingen die gevangen zitten tussen 2D-materiaallagen spontaan segregeren in geïsoleerde bellen, gescheiden door atomair schone gebieden. "Deze segregatie heeft ons in staat gesteld de unieke eigenschappen van atomair perfecte stapels te onderzoeken", legt professor Gorbatsjov uit. "De schone gebieden tussen vervuilende bellen zijn echter over het algemeen beperkt tot tientallen micrometers voor eenvoudige stapels, met zelfs kleinere gebieden voor complexere structuren met extra lagen en interfaces."

Hij legde verder uit:"Deze alomtegenwoordige, door overdracht geïnduceerde besmetting, samen met de variabele spanning die tijdens het overdrachtsproces wordt geïntroduceerd, is het belangrijkste obstakel geweest dat de ontwikkeling van industrieel levensvatbare elektronische componenten op basis van 2D-materialen belemmert."

De polymere drager die in conventionele technieken wordt gebruikt, fungeert zowel als een bron van verontreiniging op nanoschaal als als een belemmering voor pogingen om reeds bestaande en omgevingsverontreinigingen te elimineren. Geadsorbeerde verontreiniging wordt bijvoorbeeld mobieler bij hoge temperaturen en kan volledig worden gedesorbeerd, maar polymeren zijn doorgaans niet bestand tegen temperaturen boven een paar honderd graden. Bovendien zijn polymeren onverenigbaar met veel vloeibare reinigingsmiddelen en hebben ze de neiging onder vacuümomstandigheden te ontgassen.

"Om deze beperkingen te overwinnen, hebben we een alternatieve hybride stempel bedacht, bestaande uit een flexibel siliciumnitride-membraan voor mechanische ondersteuning en een ultradunne metaallaag als kleverige 'lijm' voor het oppakken van de 2D-kristallen", legt Dr. Nick Clark, tweede auteur van de studie.

"Met behulp van de metaallaag kunnen we zorgvuldig een enkel 2D-materiaal oppakken en vervolgens het atomair vlakke onderoppervlak ervan opeenvolgend op extra kristallen 'stempelen'. De van der Waals-krachten op dit perfecte grensvlak zorgen ervoor dat deze kristallen zich hechten, waardoor we onberispelijke constructies kunnen maken stapels van maximaal acht lagen."

Na het succesvol demonstreren van de techniek met behulp van microscopisch kleine vlokken die mechanisch werden geëxfolieerd van kristallen met behulp van de "plakkerige tape" -methode, heeft het team het ultraschone overdrachtsproces opgeschaald om materialen te verwerken die in grotere afmetingen uit de gasfase zijn gegroeid, waardoor een schone overdracht van gebieden op mm-schaal wordt bereikt. Het vermogen om met deze ‘gegroeide’ 2D-materialen te werken is cruciaal voor hun schaalbaarheid en potentiële toepassingen in elektronische apparaten van de volgende generatie.

Meer informatie: Wendong Wang et al., Schone assemblage van Van der Waals-heterostructuren met behulp van siliciumnitridemembranen, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01075-y

Journaalinformatie: Natuurelektronica

Aangeboden door Universiteit van Manchester




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Team onthult hoge prevalentie van bacteriën die gen mcr-1 dragen in ecosysteem
  2. Moderne plantaardige enzymen werken samen met verrassend oude eiwitten
  3. Roept op tot regelgevende maatregelen om de openbaarmaking van biodiversiteit te versterken
  4. Verbetering van de hittetolerantie in graszoden in het koele seizoen
  5. Hoge nachttemperaturen hebben een negatieve invloed op de productie van koolzaadplanten
  6. Waarom wordt natrium gebruikt in DNA-extractie?
  7. Smartphone-app gebruikt computervisie om verloren dieren te identificeren
  8. Opnieuw geïntroduceerde wolven doden vier jaarlingrunderen tijdens de laatste reeks veeaanvallen in Colorado
  9. Eerste Amerikaanse vrouw bevalt van getransplanteerde baarmoeder

Wetenschap