Immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) in falsi colori di un transistor ad effetto di campo a radiofrequenza (RF-FET) composto da un canale attivo di diseleniuro di tungsteno (WSe2) di 2-3 strati di spessore epitassiale. Credito:Brian Bersch/Penn State
Dalla scoperta delle notevoli proprietà del grafene, gli scienziati hanno sempre più concentrato la ricerca sui molti altri materiali bidimensionali possibili, sia quelli trovati in natura che inventati in laboratorio. Però, crescendo di alta qualità, i materiali 2D cristallini su larga scala si sono rivelati una sfida significativa.
Un paio di articoli pubblicati online su due riviste di nanotecnologia questo mese forniscono la base per la crescita di cristalli bidimensionali su scala wafer per futuri dispositivi elettronici. Nel lavoro guidato da Joan Redwing, direttore del Two-Dimensional Crystal Consortium – Materials Innovation Platform, sponsorizzato da NSF, e professore di scienza e ingegneria dei materiali e ingegneria elettrica, Penn State, i ricercatori hanno sviluppato un processo a più fasi per creare pellicole atomicamente sottili di un cristallo singolo di diseleniuro di tungsteno su substrati di zaffiro di grandi dimensioni.
"Fino ad ora, la maggior parte dei dispositivi 2-D è stata fabbricata utilizzando piccoli fiocchi che vengono esfoliati da cristalli sfusi, " Redwing ha detto. "Per sviluppare una tecnologia pronta per il dispositivo, devi essere in grado di realizzare dispositivi su substrati di grandi dimensioni e devono avere una buona qualità dei cristalli."
Il processo utilizza lo zaffiro come substrato a causa della sua struttura cristallina. Questa struttura orienta la crescita del film in uno schema cristallino in un processo chiamato epitassia. Poiché piccole isole del materiale si formano sul substrato e il substrato viene riscaldato, le isole si diffondono sul substrato in modo uniforme formando un film di ampia superficie senza spazi e con pochissimi difetti. Il progresso chiave è stato l'uso della deposizione di vapore chimico da fonte di gas per controllare con precisione la densità dell'isola e la velocità di diffusione per ottenere un singolo strato del materiale 2-D.
Film 2D atomicamente sottili su larga scala mediante deposizione di vapore chimico da fonte di gas. Credito:Xiaotian Zhang/Penn State
Hanno pubblicato il loro lavoro, "Epitassia controllata dalla diffusione di monostrati WSe2 coalescenti di ampia area su zaffiro, " nel diario Nano lettere .
In un documento correlato, "Realizzare su larga scala, Semiconduttori bidimensionali di grado elettronico, " pubblicato online sulla rivista ACS Nano , una squadra guidata da Joshua Robinson, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, Penn State, fornisce le conoscenze fondamentali per abilitare semiconduttori sintetici 2-D pronti per il dispositivo basati su questi film epitassiali di grandi aree nell'elettronica futura su scala industriale.
"Il significato principale di questo lavoro è che siamo stati in grado di comprendere i fattori estrinseci che determinano l'avere un materiale 2-D di alta qualità, " Ha detto Robinson. "Quello che abbiamo scoperto è che anche quando si coltivano cristalli orientati su una superficie, ci sono altri fattori che influiscono sulla capacità di ottenere un'elevata mobilità degli elettroni o transistor veloci".
In particolare, hanno scoperto che esiste una forte interazione tra il substrato di zaffiro e il film monostrato, con il substrato che domina le proprietà. Per superare queste sfide, i ricercatori sono cresciuti di due o tre strati, che ha migliorato le prestazioni di fattori di 20-100 volte.
"Questa è la prima vera prova dell'effetto del substrato sulle proprietà di trasporto degli strati 2-D, " ha detto Robinson.
