När elektroniken blir mindre, forskare letar efter små komponenter som fungerar tillförlitligt i allt smalare konfigurationer. Lovande grundämnen inkluderar de kemiska föreningarna indiumselenid (InSe) och galliumselenid (GaSe). I form av ultratunna lager, de bildar tvådimensionella (2-D) halvledare. Men, än så länge, de har knappt använts eftersom de bryts ned när de kommer i kontakt med luft under tillverkningen. Nu, en ny teknik gör att det känsliga materialet kan integreras i elektroniska komponenter utan att förlora sina önskade egenskaper. Metoden, som har beskrivits i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt , utvecklades av Himani Arora, doktorand i fysik vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

"Vi lyckades tillverka inkapslade transistorer baserade på indiumselenid och galliumselenid, " rapporterar Dr. Artur Erbe, chef för gruppen Transport in Nanostructures vid HZDR:s Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "Inkapslingstekniken skyddar de känsliga skikten från yttre stötar och bevarar dess prestanda."

För inkapsling, forskarna använder hexagonal bornitrid (hBN). Den är idealisk för ändamålet eftersom den kan formas till ett tunt lager och är dessutom inert, så det reagerar inte på sin omgivning.

Indium och galliumselenid ses som lovande kandidater för olika tillämpningar inom områden som högfrekvent elektronik, optoelektronik och sensorteknik. Dessa material kan göras till flingliknande filmer endast fem till 10 atomlager tjocka, som kan användas för att tillverka elektroniska komponenter av extremt små dimensioner.

Under inkapslingen, 2-D-flingorna är anordnade mellan två lager av hexagonal bornitrid och därmed helt inneslutna. Det övre hBN-skiktet ansvarar för den yttre isoleringen, den nedre för att hålla avståndet till underlaget. Tekniken utvecklades ursprungligen av gruppen James Hone vid Columbia University i New York där Himani Arora lärde sig den under ett forskningsbesök. Doktoranden fortsatte därefter att arbeta med ämnet vid HZDRs International Helmholtz Research School (IHRS) NanoNet.

Applicera kontakter utan litografi

En av de särskilt stora utmaningarna med inkapslingstekniken var att applicera externa kontakter på halvledarna. Den vanliga metoden för avdunstning med hjälp av en fotomask är olämplig, eftersom under denna process, de känsliga materialen kommer i kontakt med både kemikalier och med luft och bryts därmed ned. Så HZDR-forskarna använde en litografifri kontaktteknik som involverade metallelektroder gjorda av palladium och guld inbäddade i hBN-folie. Detta innebär att inkapslingen och den elektriska kontakten med 2D-skiktet under kan uppnås samtidigt.

"För att skapa kontakterna, det önskade elektrodmönstret etsas på hBN-skiktet så att de skapade hålen kan fyllas med palladium och guld med hjälp av elektronstråleavdunstning, Himani Arora förklarar. "Då laminerar du hBN-folien med elektroderna på 2-D-flaken." När det finns flera kontakter på en hBN-skiva, kontakt med flera kretsar kan göras och mätas. För senare tillämpning, komponenterna kommer att staplas i lager.

Som experimenten har visat, komplett inkapsling med hexagonal bornitrid skyddar 2D-skikten från sönderdelning och nedbrytning och säkerställer långsiktig kvalitet och stabilitet. Inkapslingstekniken som utvecklats vid HZDR är robust och lätt att applicera på andra komplexa 2D-material. Detta öppnar nya vägar för grundläggande studier såväl som för att integrera dessa material i tekniska tillämpningar. De nya tvådimensionella halvledarna är billiga att tillverka och kan användas för olika applikationer som detektorer som mäter ljusvåglängder. Ett annat exempel på användning skulle vara som kopplare mellan ljus och elektronisk ström genom att generera ljus eller växla transistorer med hjälp av ljus.