Man mano che l'elettronica diventa più piccola, i ricercatori sono alla ricerca di piccoli componenti che funzionino in modo affidabile in configurazioni sempre più strette. Gli elementi promettenti includono i composti chimici seleniuro di indio (InSe) e seleniuro di gallio (GaSe). Sotto forma di strati ultrasottili, formano semiconduttori bidimensionali (2-D). Ma, finora, sono stati usati pochissimo perché si degradano quando entrano in contatto con l'aria durante la produzione. Ora, una nuova tecnica consente di integrare il materiale sensibile nei componenti elettronici senza perdere le proprietà desiderate. Il metodo, che è stato descritto nella rivista Materiali e interfacce applicati ACS , è stato sviluppato da Himani Arora, un dottorando di fisica presso l'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

"Siamo riusciti a realizzare transistor incapsulati a base di seleniuro di indio e seleniuro di gallio, " riferisce il dott. Artur Erbe, capo del gruppo Transport in Nanostructures presso l'Institute of Ion Beam Physics and Materials Research di HZDR. "La tecnica di incapsulamento protegge gli strati sensibili dagli impatti esterni e ne preserva le prestazioni".

Per incapsulamento, gli scienziati usano nitruro di boro esagonale (hBN). È ideale allo scopo perché può essere formato in uno strato sottile ed è anche inerte, quindi non risponde al suo ambiente.

Il seleniuro di indio e gallio sono considerati candidati promettenti per varie applicazioni in settori quali l'elettronica ad alta frequenza, optoelettronica e tecnologia dei sensori. Questi materiali possono essere trasformati in pellicole simili a fiocchi con uno spessore di soli 5-10 strati atomici, che può essere utilizzato per produrre componenti elettronici di dimensioni estremamente ridotte.

Durante l'incapsulamento, i fiocchi 2-D sono disposti tra due strati di nitruro di boro esagonale e quindi completamente racchiusi. Lo strato superiore in hBN è responsabile dell'isolamento verso l'esterno, quello inferiore per mantenere la distanza dal supporto. La tecnica è stata originariamente sviluppata dal gruppo di James Hone alla Columbia University di New York, dove Himani Arora l'ha appresa durante una visita di ricerca. Il dottorando ha successivamente continuato a lavorare sull'argomento presso l'International Helmholtz Research School (IHRS) NanoNet di HZDR.

Applicazione dei contatti senza litografia

Una delle sfide particolarmente grandi poste dalla tecnica di incapsulamento era quella di applicare contatti esterni ai semiconduttori. Il consueto metodo di deposizione per evaporazione utilizzando una fotomaschera non è adatto, perché durante questo processo, i materiali sensibili entrano in contatto sia con sostanze chimiche che con l'aria e quindi si degradano. Quindi i ricercatori dell'HZDR hanno impiegato una tecnica di contatto senza litografia che coinvolge elettrodi metallici fatti di palladio e oro incorporati in un foglio di hBN. Ciò significa che l'incapsulamento e il contatto elettrico con lo strato 2-D sottostante possono essere ottenuti contemporaneamente.

"Per produrre i contatti, il modello di elettrodo desiderato viene inciso sullo strato di hBN in modo che i fori creati possano essere riempiti con palladio e oro mediante evaporazione a fascio di elettroni, " Spiega Himani Arora. "Quindi laminate il foglio hBN con gli elettrodi sul fiocco 2-D." Quando ci sono diversi contatti su un wafer hBN, è possibile stabilire e misurare il contatto con più circuiti. Per l'applicazione successiva, i componenti verranno impilati in strati.

Come hanno dimostrato gli esperimenti, l'incapsulamento completo con nitruro di boro esagonale protegge gli strati 2-D dalla decomposizione e dalla degradazione e garantisce qualità e stabilità a lungo termine. La tecnica di incapsulamento sviluppata da HZDR è robusta e facile da applicare ad altri materiali 2-D complessi. Questo apre nuove strade per studi fondamentali e per l'integrazione di questi materiali nelle applicazioni tecnologiche. I nuovi semiconduttori bidimensionali sono economici da produrre e possono essere utilizzati per varie applicazioni come i rivelatori che misurano le lunghezze d'onda della luce. Un altro esempio di utilizzo sarebbe come accoppiatori tra luce e corrente elettronica generando luce o commutando transistor usando la luce.