Poiché la tecnologia dei semiconduttori a base di silicio si sta avvicinando al limite delle sue prestazioni, sono altamente desiderati nuovi materiali che possano sostituire o sostituire parzialmente il silicio nella tecnologia. Di recente, l'emergere del grafene e di altri materiali bidimensionali (2D) offre una nuova piattaforma per la costruzione della tecnologia dei semiconduttori di prossima generazione. Tra questi, i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD), come MoS₂ , WS₂ , MoSe₂ , WSe₂ , sono i semiconduttori 2D più attraenti.

Un prerequisito per la costruzione di circuiti semiconduttori ad alte prestazioni su larga scala è che i materiali di base devono essere un singolo cristallo di scala di wafer, proprio come il wafer di silicio utilizzato oggi. Sebbene siano stati dedicati grandi sforzi alla crescita di cristalli singoli di TMD su scala wafer, il successo è stato finora molto limitato.

Illustre professor Feng Ding e il suo gruppo di ricerca del Center for Multidimensional CarbonMaterials (CMCM), all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) dell'UNIST, in collaborazione con il ricercatore dell'Università di Pechino (PKU), dell'Istituto di tecnologia di Pechino e dell'Università di Fudan, ha riportato la crescita diretta di WS₂ a cristallo singolo da 2 pollici film monostrato molto recentemente. Oltre al WS₂ , il team di ricerca ha anche dimostrato la crescita del MoS a cristallo singolo₂ , WSe₂ e MoSe₂ anche in scala di wafer.

La tecnologia chiave della crescita epitassiale di un grande cristallo singolo è garantire che tutti i piccoli cristalli singoli cresciuti su un substrato siano allineati uniformemente. Poiché i TMD hanno una struttura non centrosimmetrica o l'immagine speculare di un TMD rispetto a un bordo di esso ha un allineamento opposto, dobbiamo rompere tale simmetria progettando attentamente il substrato. Sulla base di calcoli teorici, gli autori hanno proposto un meccanismo di "crescita dell'epitassia guidata da doppio accoppiamento " per la progettazione sperimentale. Il WS₂ -zaffiro interazione piana come prima forza trainante, che porta a due orientamenti antiparalleli preferiti del WS₂ isole. L'accoppiamento tra WS₂ e lo zaffiro step-edge è la seconda forza trainante e spezzerà la degenerazione dei due orientamenti antiparalleli. Quindi tutti i monocristalli TMD cresciuti su un substrato con bordi a gradino sono tutti allineati unidirezionali e, infine, la coalescenza di questi piccoli monocristalli porta ad un grande monocristallo delle stesse dimensioni del substrato.

"Questo nuovo meccanismo di crescita dell'epitassia a doppio accoppiamento è nuovo per la crescita controllabile dei materiali. In linea di principio, ci consente di realizzare la crescita di tutti i materiali 2D in cristalli singoli di ampia area se è stato trovato un substrato adeguato". Dice il dottor Ting Cheng, il co-primo autore dello studio. "Abbiamo considerato come scegliere in teoria substrati adeguati. In primo luogo, il substrato dovrebbe avere una bassa simmetria e, in secondo luogo, sono preferiti più bordi del gradino". sottolinea il professor Feng Ding, il corrispondente autore dello studio.

"Questo è un importante passo avanti nell'area dei dispositivi basati su materiali 2D. Poiché la crescita di successo di TMD 2D a cristallo singolo su scala wafer su isolanti oltre al grafene e all'hBN su substrati di metalli di transizione, il nostro studio fornisce la chiave di volta richiesta di semiconduttori 2D in applicazioni di fascia alta di dispositivi elettronici e ottici", spiega il professor Feng Ding.

La ricerca è stata pubblicata su Nature Nanotechnology . + Esplora ulteriormente

Come ingrandire i materiali 2D come cristalli singoli