I materiali bidimensionali, che hanno uno spessore di solo pochi atomi, possono mostrare proprietà incredibili, come la capacità di trasportare la carica elettrica in modo estremamente efficiente, il che potrebbe aumentare le prestazioni dei dispositivi elettronici di prossima generazione.
Tuttavia, l’integrazione di materiali 2D in dispositivi e sistemi come i chip dei computer è notoriamente difficile. Queste strutture ultrasottili possono essere danneggiate dalle tecniche di fabbricazione convenzionali, che spesso si basano sull'uso di sostanze chimiche, temperature elevate o processi distruttivi come l'incisione.
Per superare questa sfida, i ricercatori del MIT e di altri paesi hanno sviluppato una nuova tecnica per integrare materiali 2D nei dispositivi in un unico passaggio, mantenendo le superfici dei materiali e le interfacce risultanti intatte e prive di difetti.
Il loro metodo si basa sulle forze superficiali ingegneristiche disponibili su scala nanometrica per consentire al materiale 2D di essere fisicamente impilato su altri strati di dispositivi precostruiti. Poiché il materiale 2D rimane intatto, i ricercatori possono sfruttare appieno le sue proprietà ottiche ed elettriche uniche.
Hanno utilizzato questo approccio per fabbricare matrici di transistor 2D che hanno ottenuto nuove funzionalità rispetto ai dispositivi prodotti utilizzando tecniche di fabbricazione convenzionali. Il loro metodo, sufficientemente versatile da poter essere utilizzato con molti materiali, potrebbe avere diverse applicazioni nel campo dell'informatica ad alte prestazioni, del rilevamento e dell'elettronica flessibile.
Fondamentale per sbloccare queste nuove funzionalità è la capacità di formare interfacce pulite, tenute insieme da forze speciali che esistono tra tutta la materia, chiamate forze di van der Waals.
Tuttavia, l'integrazione di materiali di van der Waals in dispositivi perfettamente funzionanti non è sempre facile, afferma Farnaz Niroui, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica (EECS), membro del Laboratorio di ricerca di elettronica (RLE) e autore senior di un nuovo articolo che descrive il lavoro.
"L'integrazione di Van der Waals presenta un limite fondamentale", spiega. "Poiché queste forze dipendono dalle proprietà intrinseche dei materiali, non possono essere facilmente sintonizzate. Di conseguenza, ci sono alcuni materiali che non possono essere integrati direttamente tra loro utilizzando solo le loro interazioni di van der Waals. Abbiamo sviluppato una piattaforma per affrontare questo limite per contribuire a rendere l'integrazione di van der Waals più versatile, per promuovere lo sviluppo di dispositivi basati su materiali 2D con funzionalità nuove e migliorate."
La ricerca sarà pubblicata su Nature Electronics .
Realizzare sistemi complessi come un chip di computer con tecniche di fabbricazione convenzionali può diventare complicato. In genere, un materiale rigido come il silicio viene cesellato su scala nanometrica e quindi interfacciato con altri componenti come elettrodi metallici e strati isolanti per formare un dispositivo attivo. Tale lavorazione può causare danni ai materiali.
Recentemente, i ricercatori si sono concentrati sulla costruzione di dispositivi e sistemi dal basso verso l’alto, utilizzando materiali 2D e un processo che richiede l’impilamento fisico sequenziale. In questo approccio, invece di utilizzare colle chimiche o alte temperature per legare un fragile materiale 2D a una superficie convenzionale come il silicio, i ricercatori sfruttano le forze di van der Waals per integrare fisicamente uno strato di materiale 2D su un dispositivo.
Le forze di Van der Waals sono forze di attrazione naturale che esistono tra tutta la materia. Ad esempio, i piedi di un geco possono attaccarsi temporaneamente al muro a causa delle forze di van der Waals.
Sebbene tutti i materiali presentino un'interazione di van der Waals, a seconda del materiale, le forze non sono sempre abbastanza forti da tenerli insieme. Ad esempio, un popolare materiale semiconduttore 2D noto come disolfuro di molibdeno si attaccherà all'oro, un metallo, ma non si trasferirà direttamente a isolanti come il biossido di silicio semplicemente entrando in contatto fisico con quella superficie.
Tuttavia, le eterostrutture realizzate integrando semiconduttori e strati isolanti sono elementi fondamentali di un dispositivo elettronico. In precedenza, questa integrazione veniva consentita legando il materiale 2D a uno strato intermedio come l'oro, quindi utilizzando questo strato intermedio per trasferire il materiale 2D sull'isolante prima di rimuovere lo strato intermedio utilizzando prodotti chimici o alte temperature.
Invece di utilizzare questo strato sacrificale, i ricercatori del MIT incorporano l’isolante a bassa adesione in una matrice ad alta adesione. Questa matrice adesiva è ciò che fa aderire il materiale 2D alla superficie incorporata a bassa adesione, fornendo le forze necessarie per creare un'interfaccia di van der Waals tra il materiale 2D e l'isolante.
Per realizzare dispositivi elettronici, formano una superficie ibrida di metalli e isolanti su un substrato portante. Questa superficie viene quindi staccata e capovolta per rivelare una superficie superiore completamente liscia che contiene gli elementi costitutivi del dispositivo desiderato.
Questa levigatezza è importante poiché gli spazi tra la superficie e il materiale 2D possono ostacolare le interazioni di van der Waals. Quindi, i ricercatori preparano il materiale 2D separatamente in un ambiente completamente pulito e lo mettono a diretto contatto con lo stack del dispositivo preparato.
"Una volta che la superficie ibrida viene messa in contatto con lo strato 2D, senza bisogno di alte temperature, solventi o strati sacrificali, può raccogliere lo strato 2D e integrarlo con la superficie. In questo modo, stiamo consentendo a van der Waals un'integrazione che sarebbe tradizionalmente vietata ma che ora è possibile e consente la formazione di dispositivi perfettamente funzionanti in un unico passaggio," spiega Satterthwaite.
Questo processo in un unico passaggio mantiene l'interfaccia del materiale 2D completamente pulita, consentendo al materiale di raggiungere i suoi limiti fondamentali di prestazioni senza essere ostacolato da difetti o contaminazione.
E poiché anche le superfici rimangono intatte, i ricercatori possono progettare la superficie del materiale 2D per formare caratteristiche o connessioni con altri componenti. Ad esempio, hanno utilizzato questa tecnica per creare transistor di tipo p, generalmente difficili da realizzare con materiali 2D. I loro transistor sono migliorati rispetto agli studi precedenti e possono fornire una piattaforma per studiare e ottenere le prestazioni necessarie per l'elettronica pratica.
Il loro approccio può essere adottato su larga scala per creare array di dispositivi più ampi. La tecnica della matrice adesiva può essere utilizzata anche con una vasta gamma di materiali e persino con altre forze per migliorare la versatilità di questa piattaforma. Ad esempio, i ricercatori hanno integrato il grafene su un dispositivo, formando le interfacce van der Waals desiderate utilizzando una matrice realizzata con un polimero. In questo caso, l'adesione si basa sulle interazioni chimiche piuttosto che sulle sole forze di van der Waals.
In futuro, i ricercatori vogliono basarsi su questa piattaforma per consentire l'integrazione di una libreria diversificata di materiali 2D per studiarne le proprietà intrinseche senza l'influenza dei danni da lavorazione e sviluppare nuove piattaforme di dispositivi che sfruttino queste funzionalità superiori.
Ulteriori informazioni: Farnaz Niroui et al, Integrazione di Van der Waals oltre i limiti delle forze di van der Waals utilizzando il trasferimento della matrice adesiva, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01079-8
Informazioni sul giornale: Elettronica naturale
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
