De volgende generatie 2D-halfgeleidermaterialen houdt niet van wat ze ziet als ze in de spiegel kijken. De huidige synthetiserende benaderingen om enkellaagse nanoplaten van halfgeleidend materiaal voor atomair dunne elektronica te maken, ontwikkelen een eigenaardig "spiegeltweeling"-defect wanneer het materiaal wordt afgezet op eenkristalsubstraten zoals saffier. Het gesynthetiseerde nanoblad bevat korrelgrenzen die als spiegel fungeren, waarbij de atomen aan elke kant in gereflecteerde tegenstelling tot elkaar zijn gerangschikt.

Dit is een probleem, volgens onderzoekers van het Two-Dimensional Crystal Consortium-Materials Innovation Platform (2DCC-MIP) van Penn State en hun medewerkers. Elektronen verspreiden zich wanneer ze de grens raken, waardoor de prestaties van apparaten zoals transistors afnemen. Dit is volgens de onderzoekers een knelpunt voor de vooruitgang van de volgende generatie elektronica voor toepassingen zoals het internet der dingen en kunstmatige intelligentie. Maar nu heeft het onderzoeksteam mogelijk een oplossing bedacht om dit defect te corrigeren. Ze hebben hun werk gepubliceerd in Nature Nanotechnology .

Deze studie zou een aanzienlijke impact kunnen hebben op halfgeleideronderzoek door andere onderzoekers in staat te stellen spiegeltweelingdefecten te verminderen, aldus hoofdauteur Joan Redwing, directeur van 2DCC-MIP, vooral omdat het veld de aandacht en financiering heeft vergroot vanuit de CHIPS and Science Act die laatst werd goedgekeurd. jaar. De goedkeuring van de wetgeving verhoogde de financiering en andere middelen om de inspanningen van Amerika om de productie en ontwikkeling van halfgeleidertechnologie aan land te brengen een impuls te geven.

Een enkellaags vel wolfraamdiselenide – slechts drie atomen dik – zou volgens Redwing een zeer effectieve, atomair dunne halfgeleider vormen om de elektrische stroom te controleren en te manipuleren. Om de nanosheet te maken, gebruiken de onderzoekers Metal Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD), een halfgeleiderproductietechnologie die wordt gebruikt om ultradunne lagen van één kristal op een substraat af te zetten, in dit geval een saffierwafel.

Terwijl MOCVD wordt gebruikt bij de synthese van andere materialen, waren de 2DCC-MIP-onderzoekers een pionier in het gebruik ervan voor de synthese van 2D-halfgeleiders zoals wolfraamdiselenide, zei Redwing. Wolfraamdiselenide behoort tot een klasse materialen die overgangsmetaaldichalcogeniden worden genoemd en die drie atomen dik zijn, waarbij het wolfraammetaal is ingeklemd tussen niet-metaalselenideatomen, en die wenselijke halfgeleidende eigenschappen vertoont voor geavanceerde elektronica.

"Om enkellaagse platen met een hoge mate van kristallijne perfectie te bereiken, hebben we saffierwafels als sjabloon gebruikt om de wolfraamdiselenidekristallen uit te lijnen terwijl ze door MOCVD op het wafeloppervlak worden afgezet", zegt Redwing, die ook een vooraanstaand professor in materialen is. wetenschap en techniek en elektrotechniek aan Penn State. "De kristallen van wolfraamdiselenide kunnen zich echter in tegengestelde richtingen op het saffiersubstraat uitlijnen. Naarmate de tegengesteld georiënteerde kristallen groter worden, ontmoeten ze elkaar uiteindelijk op het saffieroppervlak en vormen de spiegeltweelinggrens."

Om dit probleem op te lossen en ervoor te zorgen dat de meeste wolfraamdiselenidekristallen op één lijn liggen met de saffierkristallen, maakten de onderzoekers gebruik van "stappen" op het saffieroppervlak. Het éénkristal van saffier waaruit de wafel bestaat, is natuurkundig gezien uiterst perfect; het is echter niet perfect vlak op atomair niveau. Er zijn treden op het oppervlak die slechts een atoom of twee hoog zijn, met vlakke gebieden tussen elke trede.

Hier, aldus Koperwiek, vonden de onderzoekers de vermoedelijke bron van het spiegeldefect.

De stap op het oppervlak van het saffierkristal is waar de wolfraamdiselenidekristallen de neiging hadden zich te hechten, maar niet altijd. Wanneer de kristallen aan de treden waren bevestigd, neigde de uitlijning ervan in één richting te zijn.

"Als de kristallen allemaal in dezelfde richting kunnen worden uitgelijnd, zullen spiegeltweelingdefecten in de laag worden verminderd of zelfs geëlimineerd", aldus Koperwiek.

De onderzoekers ontdekten dat door het controleren van de MOCVD-procesomstandigheden de meeste kristallen zich bij de trappen aan de saffier konden hechten. En tijdens de experimenten deden ze een bonusontdekking:als de kristallen zich bovenaan de trede hechten, worden ze in één kristallografische richting uitgelijnd; als ze aan de onderkant worden bevestigd, zijn ze in de tegenovergestelde richting uitgelijnd.

"We ontdekten dat het mogelijk was om het merendeel van de kristallen aan de boven- of onderkant van de treden te bevestigen", zei Redwing, waarbij experimenteel werk werd toegeschreven aan Haoyue Zhu, postdoctoraal onderzoeker, en Tanushree Choudhury, assistent-onderzoeksprofessor. , in 2DCC-MIP. "Dit zou een manier bieden om het aantal spiegeltweelinggrenzen in de lagen aanzienlijk te verminderen."

Nadire Nayir, een postdoctoraal onderzoeker onder begeleiding van de vooraanstaande universiteitsprofessor Adri van Duin, leidde onderzoekers in de 2DCC-MIP Theory/Simulation-faciliteit om een ​​theoretisch model te ontwikkelen van de atomaire structuur van het saffieroppervlak om uit te leggen waarom het wolfraamdiselenide zich aan de boven- of onderkant hechtte rand van de treden. Ze theoretiseerden dat als het oppervlak van de saffier bedekt zou zijn met seleniumatomen, deze zich aan de onderkant van de treden zouden hechten; als de saffier slechts gedeeltelijk bedekt is, zodat de onderkant van de trede geen seleniumatoom bevat, dan zijn de kristallen aan de bovenkant bevestigd.

Om deze theorie te bevestigen, werkten de 2DCC-MIP-onderzoekers van Penn State samen met Krystal York, een afgestudeerde student in de onderzoeksgroep van Steven Durbin, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Western Michigan University. Ze heeft bijgedragen aan het onderzoek als onderdeel van het 2DCC-MIP Resident Scholar Visitor Program. York leerde hoe ze dunne films van wolfraamdiselenide kon laten groeien via MOCVD terwijl ze 2DCC-MIP-faciliteiten gebruikte voor haar proefschriftonderzoek. Haar experimenten hielpen bevestigen dat de methode werkte.

"Tijdens het uitvoeren van deze experimenten merkte Krystal op dat de richting van wolfraamdiselenidedomeinen op saffier veranderde toen ze de druk in de MOCVD-reactor varieerde", zei Redwing. "Deze experimentele observatie verschafte verificatie van het theoretische model dat werd ontwikkeld om de bevestigingslocatie van wolfraamdiselenidekristallen op treden op de saffierwafel te verklaren."

Monsters van wolfraamdiselenide op waferschaal op saffier geproduceerd met behulp van dit nieuwe MOCVD-proces zijn beschikbaar voor onderzoekers buiten Penn State via het 2DCC-MIP-gebruikersprogramma.

"Toepassingen zoals kunstmatige intelligentie en het internet der dingen zullen verdere prestatieverbeteringen vereisen, evenals manieren om het energieverbruik van elektronica te verminderen", aldus Redwing. "Hoogwaardige 2D-halfgeleiders op basis van wolfraamdiselenide en aanverwante materialen zijn belangrijke materialen die een rol zullen spelen in de volgende generatie elektronica."

Meer informatie: Haoyue Zhu et al, Staptechniek voor nucleatie- en domeinoriëntatiecontrole in WSe2-epitaxie op c-vlak-saffier, Natuurnanotechnologie (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01456-6

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

Aangeboden door Pennsylvania State University