I materiali esotici 2-D sono molto promettenti per la creazione di circuiti sottili come un atomo che potrebbero alimentare l'elettronica flessibile, optoelettronica, e altri dispositivi di nuova generazione. Ma la fabbricazione di circuiti 2-D complessi richiede più tempo, passaggi costosi.

In un articolo pubblicato su PNAS , ricercatori del MIT e altrove descrivono una tecnica che semplifica il processo di fabbricazione, facendo crescere un materiale 2-D direttamente su un substrato modellato e riciclando i modelli del circuito.

I ricercatori coltivano con cura un singolo strato di bisolfuro di molibdeno (MoS ₂ ), che ha uno spessore di soli tre atomi, su un substrato di crescita in un modello scelto. Questo approccio differisce dalle tecniche tradizionali che coltivano e asportano un materiale in modo iterativo, su più strati. Questi processi richiedono tempo e aumentano le possibilità di causare difetti superficiali che possono ostacolare le prestazioni del materiale.

Con il nuovo metodo, usando solo acqua, i ricercatori possono trasferire il materiale dal substrato di crescita al substrato di destinazione in modo così pulito che il substrato modellato originale può essere riutilizzato come un tipo di stampo "master-replica", ovvero un modello riutilizzabile per la produzione. Nella fabbricazione tradizionale, substrati di crescita vengono lanciati dopo ogni trasferimento di materiale, e il circuito deve essere nuovamente modellato su un nuovo substrato per far ricrescere più materiale.

"Quando ingrandiamo e realizziamo dispositivi elettronici più complessi, le persone hanno bisogno di integrare numerosi materiali 2D in più strati e forme specifiche. Se seguiamo i metodi tradizionali, passo dopo passo, richiederà molto tempo e sarà inefficiente, " dice il primo autore Yunfan Guo, un postdoc presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) e il Laboratorio di Ricerca di Elettronica. "Il nostro metodo mostra il potenziale per rendere più semplice l'intero processo di fabbricazione, costo più basso, e più efficiente".

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno fabbricato schemi arbitrari e un transistor funzionante realizzato in MoS ₂ , che è uno dei semiconduttori conosciuti più sottili. Nel loro studio, i ricercatori hanno riciclato lo stesso substrato modellato quattro volte senza vedere segni di usura.

Guo è affiancato sulla carta dai professori EECS Tomas Palacios e Jing Kong; Ju Li, un professore del MIT di scienza e ingegneria nucleare e di scienza e ingegneria dei materiali; Xi Ling dell'Università di Boston; Letian Dou e Enzheng Shi della Purdue University; altri sette studenti laureati del MIT, postdoc, e alunni; e altri due coautori della Cornell University e della Purdue University.

Crescita controllata

Per disegnare un modello su un substrato di crescita, i ricercatori hanno sfruttato una tecnica che utilizza il plasma a base di ossigeno per scolpire modelli nella superficie di un substrato. Alcune versioni di questa tecnica sono state utilizzate sperimentalmente in precedenza per far crescere modelli di materiali 2-D. Ma la risoluzione spaziale, ovvero la dimensione delle strutture precise che possono essere fabbricate, è relativamente scarsa (100 micron), e le prestazioni elettriche sono state molto inferiori rispetto ai materiali coltivati ​​con altri metodi.

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno condotto studi approfonditi su come MoS ₂ gli atomi si dispongono su una superficie del substrato e come alcuni precursori chimici possono aiutare a controllare la crescita del materiale. Così facendo, sono stati in grado di sfruttare la tecnica per far crescere un singolo strato di MoS . di alta qualità ₂ entro schemi precisi.

I ricercatori hanno utilizzato maschere fotolitografiche tradizionali su un substrato di ossido di silicio, dove il modello desiderato si trova all'interno di regioni non esposte alla luce. Queste regioni vengono successivamente esposte al plasma a base di ossigeno. Il plasma incide via circa 1-2 nanometri del substrato nel modello.

Questo processo crea anche una maggiore energia superficiale e una maggiore affinità per le molecole amanti dell'acqua ("idrofile") in queste regioni trattate con plasma. I ricercatori utilizzano quindi un sale organico, chiamato PTA, che agisce come promotore della crescita per MoS ₂ . Il sale è attratto dalle regioni incise idrofile appena create. Inoltre, i ricercatori hanno usato lo zolfo, un precursore essenziale per MoS ₂ crescita, ad una precisa quantità e temperatura per regolare esattamente quanti atomi del materiale si formeranno sul substrato.

Quando i ricercatori hanno successivamente misurato il MoS ₂ crescita, l'hanno trovato riempito in circa 0,7 nanometri del modello inciso. È equivalente a esattamente uno strato di MoS ₂ .

Modelli riciclati

Prossimo, i ricercatori hanno sviluppato un metodo per riciclare il substrato modellato. Tradizionalmente, trasferimento di materiali 2-D da un substrato di crescita a un substrato di destinazione, come una superficie flessibile, richiede di racchiudere l'intero materiale cresciuto in un polimero, incidendolo chimicamente, e separandolo dal suo substrato di crescita. Ma questo porta inevitabilmente contaminanti al materiale. Quando il materiale è stato rilasciato, lascia anche residui, quindi i substrati originali non possono essere riutilizzati.

A causa della debole interazione tra MoS ₂ e il substrato di crescita, però, i ricercatori hanno scoperto che potevano staccare il MoS ₂ in modo pulito dal supporto originale immergendolo in acqua. Questo processo, chiamato "delaminazione, " elimina la necessità di utilizzare qualsiasi strato di supporto e produce una rottura netta con il materiale dal supporto.

"Ecco perché possiamo riciclarlo, " dice Guo. "Dopo che è stato trasferito, perché è puramente pulito, il nostro substrato modellato viene recuperato e possiamo usarlo per più crescite".

Le innovazioni dei ricercatori introducono molti meno difetti superficiali che limitano le prestazioni, misurata nella mobilità degli elettroni:la velocità con cui gli elettroni si muovono attraverso un semiconduttore.

Nella loro carta, i ricercatori hanno fabbricato un transistor 2-D, chiamato transistor ad effetto di campo. I risultati indicano che la mobilità degli elettroni e il "rapporto on-off" - l'efficienza con cui un transistor si sposta tra gli stati computazionali 1 e 0 - sono paragonabili ai valori riportati di alta qualità coltivata tradizionalmente, materiali ad alte prestazioni.

Il transistor ad effetto di campo ha attualmente una risoluzione spaziale di circa 2 micron, che è limitato solo dal laser utilizzato dagli strumenti di microfabbricazione utilizzati dai ricercatori. Prossimo, i ricercatori sperano di ridurre le dimensioni del modello, e integrare direttamente circuiti complessi su materiali 2-D utilizzando la loro tecnica di fabbricazione.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.