I ricercatori dell’Università di Manchester hanno fatto un passo avanti nel trasferimento di cristalli 2D, aprendo la strada alla loro commercializzazione nell’elettronica di prossima generazione. Questa tecnica, dettagliata in un recente Nature Electronics articolo, utilizza un timbro completamente inorganico per creare le pile di materiali 2D più pulite e uniformi fino ad oggi.
Il team, guidato dal professor Roman Gorbachev del National Graphene Institute, ha utilizzato il timbro inorganico per “selezionare e posizionare” con precisione cristalli 2D in eterostrutture di van der Waals composte da un massimo di otto strati individuali all’interno di un ambiente di vuoto ultra-alto. Questo progresso ha portato a interfacce atomicamente pulite su aree estese, un significativo passo avanti rispetto alle tecniche esistenti e un passo cruciale verso la commercializzazione di dispositivi elettronici basati su materiali 2D.
Inoltre, la rigidità del nuovo design dello stampo ha effettivamente ridotto al minimo la disomogeneità delle deformazioni nelle pile assemblate. Il team ha osservato una notevole diminuzione della variazione locale, di un ordine di grandezza, nelle interfacce "contorte", rispetto agli attuali assemblaggi all'avanguardia.
L’impilamento preciso di singoli materiali 2D in sequenze definite racchiude il potenziale per progettare cristalli di progettazione a livello atomico, con nuove proprietà ibride. Sebbene siano state sviluppate numerose tecniche per trasferire i singoli strati, quasi tutte si basano su membrane o stampi polimerici organici per il supporto meccanico durante la transizione dai substrati originali a quelli target. Sfortunatamente, questa dipendenza dai materiali organici introduce inevitabilmente la contaminazione della superficie dei materiali 2D, anche in ambienti cleanroom meticolosamente controllati.
In molti casi, i contaminanti superficiali intrappolati tra gli strati di materiale 2D si segregano spontaneamente in bolle isolate separate da aree atomicamente pulite. "Questa segregazione ci ha permesso di esplorare le proprietà uniche degli stack atomicamente perfetti", ha spiegato il professor Gorbachev. "Tuttavia, le aree pulite tra le bolle contaminanti sono generalmente limitate a decine di micrometri per pile semplici, con aree ancora più piccole per strutture più complesse che coinvolgono strati e interfacce aggiuntivi."
Ha ulteriormente elaborato:"Questa onnipresente contaminazione indotta dal trasferimento, insieme al ceppo variabile introdotto durante il processo di trasferimento, è stato l'ostacolo principale che ha impedito lo sviluppo di componenti elettronici industrialmente utilizzabili basati su materiali 2D."
Il supporto polimerico utilizzato nelle tecniche convenzionali agisce sia come fonte di contaminazione su scala nanometrica sia come ostacolo agli sforzi per eliminare i contaminanti preesistenti e ambientali. Ad esempio, la contaminazione adsorbita diventa più mobile alle alte temperature e può essere completamente desorbita, ma i polimeri in genere non possono resistere a temperature superiori a poche centinaia di gradi. Inoltre, i polimeri sono incompatibili con molti detergenti liquidi e tendono a degassare in condizioni di vuoto.
"Per superare queste limitazioni, abbiamo ideato un timbro ibrido alternativo, comprendente una membrana flessibile di nitruro di silicio per il supporto meccanico e uno strato metallico ultrasottile come 'colla' appiccicosa per raccogliere i cristalli 2D", ha spiegato il dottor Nick Clark, secondo autore di lo studio.
"Utilizzando lo strato di metallo, possiamo raccogliere con attenzione un singolo materiale 2D e poi 'stampare' in sequenza la sua superficie inferiore atomicamente piatta su ulteriori cristalli. Le forze di van der Waals su questa interfaccia perfetta causano l'adesione di questi cristalli, permettendoci di costruire strutture impeccabili." pile fino a otto strati."
Dopo aver dimostrato con successo la tecnica utilizzando scaglie microscopiche esfoliate meccanicamente dai cristalli utilizzando il metodo del "nastro adesivo", il team ha ampliato il processo di trasferimento ultrapulito per gestire materiali cresciuti dalla fase gassosa a dimensioni più grandi, ottenendo un trasferimento pulito di aree su scala mm. La capacità di lavorare con questi materiali 2D "cresciuti" è fondamentale per la loro scalabilità e le potenziali applicazioni nei dispositivi elettronici di prossima generazione.
Ulteriori informazioni: Wendong Wang et al, Assemblaggio pulito di eterostrutture di van der Waals utilizzando membrane di nitruro di silicio, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01075-y
Informazioni sul giornale: Elettronica naturale
Fornito dall'Università di Manchester
