Alla prossima generazione di materiali semiconduttori 2D non piace ciò che vede quando si guarda allo specchio. Gli attuali approcci di sintesi per realizzare nanofogli monostrato di materiale semiconduttore per componenti elettronici atomicamente sottili sviluppano un peculiare difetto "mirror twin" quando il materiale viene depositato su substrati monocristallini come lo zaffiro. Il nanofoglio sintetizzato contiene bordi granulari che agiscono come uno specchio, con la disposizione degli atomi su ciascun lato organizzati in opposizione riflessa l'uno rispetto all'altro.

Questo è un problema, secondo i ricercatori del Two-Dimensional Crystal Consortium-Materials Innovation Platform (2DCC-MIP) della Penn State e i loro collaboratori. Gli elettroni si disperdono quando raggiungono il confine, riducendo le prestazioni di dispositivi come i transistor. Questo è un collo di bottiglia, hanno detto i ricercatori, per il progresso dell’elettronica di prossima generazione per applicazioni come l’Internet delle cose e l’intelligenza artificiale. Ma ora il gruppo di ricerca potrebbe aver trovato una soluzione per correggere questo difetto. Hanno pubblicato il loro lavoro su Nature Nanotechnology .

Questo studio potrebbe avere un impatto significativo sulla ricerca sui semiconduttori consentendo ad altri ricercatori di ridurre i difetti del gemello specchio, secondo l'autrice principale Joan Redwing, direttrice del 2DCC-MIP, soprattutto perché il campo ha aumentato l'attenzione e i finanziamenti da parte del CHIPS e del Science Act approvati lo scorso anno. L'autorizzazione della legislazione ha aumentato i finanziamenti e altre risorse per potenziare gli sforzi dell'America per la produzione e lo sviluppo onshore della tecnologia dei semiconduttori.

Secondo Redwing, un foglio a strato singolo di diseleniuro di tungsteno, spesso solo tre atomi, costituirebbe un semiconduttore altamente efficace e atomicamente sottile per controllare e manipolare il flusso di corrente elettrica. Per realizzare il nanofoglio, i ricercatori utilizzano la deposizione chimica in fase vapore organica metallica (MOCVD), una tecnologia di produzione di semiconduttori utilizzata per depositare strati monocristallini ultrasottili su un substrato, in questo caso un wafer di zaffiro.

Mentre il MOCVD viene utilizzato nella sintesi di altri materiali, i ricercatori del 2DCC-MIP sono stati pionieri nel suo utilizzo per la sintesi di semiconduttori 2D come il diseleniuro di tungsteno, ha affermato Redwing. Il diseleniuro di tungsteno appartiene a una classe di materiali chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione che hanno uno spessore di tre atomi, con il metallo di tungsteno inserito tra atomi di seleniuro non metallici, che manifesta proprietà semiconduttrici desiderabili per l'elettronica avanzata.

"Per ottenere fogli a strato singolo con un elevato grado di perfezione cristallina, abbiamo utilizzato wafer di zaffiro come modello per allineare i cristalli di diseleniuro di tungsteno mentre si depositano mediante MOCVD sulla superficie del wafer", ha affermato Redwing, che è anche un illustre professore di materiali scienza e ingegneria e di ingegneria elettrica alla Penn State. "Tuttavia, i cristalli di diseleniuro di tungsteno possono allinearsi in direzioni opposte sul substrato di zaffiro. Man mano che i cristalli orientati in modo opposto crescono di dimensioni, alla fine si incontrano sulla superficie di zaffiro per formare il confine gemello dello specchio."

Per risolvere questo problema e allineare la maggior parte dei cristalli di diseleniuro di tungsteno con i cristalli di zaffiro, i ricercatori hanno sfruttato i “gradini” sulla superficie dello zaffiro. Il monocristallo di zaffiro che compone il wafer è altamente perfetto in termini fisici; tuttavia, non è perfettamente piatto a livello atomico. Ci sono gradini sulla superficie alti solo un atomo o due con aree piatte tra ogni gradino.

Qui, ha detto Redwing, i ricercatori hanno trovato la sospetta fonte del difetto dello specchio.

Il gradino sulla superficie del cristallo di zaffiro è il punto in cui i cristalli di diseleniuro di tungsteno tendono ad attaccarsi, ma non sempre. L'allineamento del cristallo quando attaccato ai gradini tendeva ad essere in una sola direzione.

"Se i cristalli possono essere allineati tutti nella stessa direzione, i difetti speculari nello strato saranno ridotti o addirittura eliminati", ha affermato Redwing.

I ricercatori hanno scoperto che controllando le condizioni del processo MOCVD, è possibile far sì che la maggior parte dei cristalli si attacchi allo zaffiro durante le fasi. E durante gli esperimenti, hanno fatto una scoperta bonus:se i cristalli si attaccano in cima al gradino, si allineano in una direzione cristallografica; se si attaccano in basso, si allineano nella direzione opposta.

"Abbiamo scoperto che era possibile far sì che la maggior parte dei cristalli si attaccasse al bordo superiore o inferiore dei gradini", ha detto Redwing, accreditando il lavoro sperimentale eseguito da Haoyue Zhu, studioso post-dottorato, e Tanushree Choudhury, assistente professore di ricerca. , nel 2DCC-MIP. "Ciò fornirebbe un modo per ridurre significativamente il numero di confini di mirror twin negli strati."

Nadire Nayir, una studiosa post-dottorato guidata dall'illustre professore universitario Adri van Duin, ha guidato i ricercatori nella struttura di teoria/simulazione 2DCC-MIP per sviluppare un modello teorico della struttura atomica della superficie dello zaffiro per spiegare perché il diseleniuro di tungsteno è attaccato alla parte superiore o inferiore bordo dei gradini. Teorizzarono che se la superficie dello zaffiro fosse stata ricoperta di atomi di selenio, questi si sarebbero attaccati al bordo inferiore dei gradini; se lo zaffiro è coperto solo parzialmente in modo che il bordo inferiore del gradino sia privo di atomo di selenio, allora i cristalli si attaccano alla parte superiore.

Per confermare questa teoria, i ricercatori della Penn State 2DCC-MIP hanno lavorato con Krystal York, una studentessa laureata nel gruppo di ricerca di Steven Durbin, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Western Michigan University. Ha contribuito allo studio nell'ambito del Resident Scholar Visitor Program 2DCC-MIP. York ha imparato come coltivare film sottili di diseleniuro di tungsteno tramite MOCVD mentre utilizzava strutture 2DCC-MIP per la sua ricerca sulla tesi di dottorato. I suoi esperimenti hanno contribuito a confermare che il metodo funzionava.

"Durante l'esecuzione di questi esperimenti, Krystal ha osservato che la direzione dei domini di diseleniuro di tungsteno sullo zaffiro cambiava quando variava la pressione nel reattore MOCVD", ha detto Redwing. "Questa osservazione sperimentale ha fornito la verifica del modello teorico che è stato sviluppato per spiegare la posizione di attacco dei cristalli di diseleniuro di tungsteno sui gradini del wafer di zaffiro."

Campioni di diseleniuro di tungsteno su scala wafer su zaffiro prodotti utilizzando questo nuovo processo MOCVD sono disponibili per i ricercatori al di fuori della Penn State tramite il programma utente 2DCC-MIP.

"Applicazioni come l'intelligenza artificiale e l'Internet delle cose richiederanno ulteriori miglioramenti delle prestazioni, nonché modi per ridurre il consumo energetico dei dispositivi elettronici", ha affermato Redwing. "I semiconduttori 2D di alta qualità basati sul diseleniuro di tungsteno e materiali correlati sono materiali importanti che svolgeranno un ruolo nell'elettronica di prossima generazione."

Ulteriori informazioni: Haoyue Zhu et al, Ingegneria passo-passo per la nucleazione e il controllo dell'orientamento del dominio nell'epitassia WSe2 su zaffiro del piano c, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01456-6

Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale

Fornito dalla Pennsylvania State University