Rice University forskare har tagit ett viktigt steg mot skapandet av tvådimensionell elektronik med en process för att göra mönster i atomtjocka lager som kombinerar en ledare och en isolator.

Materialen som spelas – grafen och hexagonal bornitrid – har slagits samman till ark och byggts in i en mängd olika mönster i nanoskala.

Rice introducerade en teknik för att sy ihop de identiskt strukturerade materialen för nästan tre år sedan. Sedan dess, idén har fått mycket uppmärksamhet från forskare som är intresserade av möjligheten att bygga 2-D, atomlagerkretsar, sade Rice material scientist Pulickel Ajayan. Han är en av författarna till det nya verket som dyker upp den här veckan i Naturens nanoteknik . Särskilt, Ajayan noterade att forskare från Cornell University rapporterade ett framsteg i slutet av förra året när det gäller konsten att göra heterostrukturer i atomskikt genom sekventiella tillväxtscheman.

Veckans bidrag från Rice erbjuder tillverkare möjligheten att krympa elektroniska enheter till ännu mindre förpackningar. Medan Rice tekniska kapacitet begränsade funktioner till en upplösning på cirka 100 nanometer, de enda verkliga gränserna är de som definieras av moderna litografiska tekniker, enligt forskarna. (En nanometer är en miljarddels meter.)

"Det borde vara möjligt att göra fullt fungerande enheter med kretsar 30, till och med 20 nanometer bred, allt i två dimensioner, " sa risforskaren Jun Lou, medförfattare till den nya tidningen. Det skulle göra kretsar i ungefär samma skala som i nuvarande halvledartillverkning, han sa.

Grafen har pekats ut som ett undermaterial sedan det upptäcktes under det senaste decenniet. Även på en atomtjock, den hexagonala samlingen av kolatomer har bevisat sin potential som ett fascinerande elektroniskt material. Men för att bygga en fungerande enhet, konduktörer ensamma duger inte. Grafenbaserad elektronik kräver liknande, kompatibla 2D-material för andra komponenter, och forskare har funnit hexagonal bornitrid (h-BN) fungerar bra som en isolator.

H-BN ser ut som grafen, med samma kycklingtrådsatomuppsättning. Det tidigare arbetet på Rice visade att sammanslagning av grafen och h-BN via kemisk ångdeposition (CVD) skapade ark med pooler av de två som gav viss kontroll över materialets elektroniska egenskaper. Ajayan sa då att skapandet erbjöd "en fantastisk lekplats för materialforskare."

Han har sedan dess kommit fram till att området för tvådimensionella material bortom grafen "har vuxit avsevärt och kommer att spela ut som ett av de viktigaste spännande materialen inom en snar framtid."

Hans förutsägelse bär frukt i det nya verket, där fint detaljerade mönster av grafen spetsas in i luckor skapade i ark av h-BN. Kammar, barer, koncentriska ringar och till och med mikroskopiska risugglor lades ner genom en litografisk process. Gränssnittet mellan element, syns tydligt i scanningselektronmikroskopbilder tagna på Oak Ridge National Laboratories, visar en knivskarp övergång från grafen till h-BN längs en subnanometerlinje.

"Det här är inte ett enkelt täcke, "Sade Lou. "Den är väldigt exakt konstruerad. Vi kan kontrollera domänstorlekarna och domänformerna, som båda är nödvändiga för att tillverka elektroniska enheter."

Den nya tekniken började också med CVD. Huvudförfattare Zheng Liu, en risforskare, och hans kollegor lade först ner ett blad av h-BN. Laserskurna fotoresistenta masker placerades över h-BN, och exponerat material etsades bort med argongas. (Ett fokuserat jonstrålesystem användes senare för att skapa ännu finare mönster, ner till 100 nanometers upplösning, utan masker.) Efter att maskerna tvättats bort, grafen odlades via CVD i de öppna ytorna, där den band kant-till-kant med h-BN. Hybridskiktet kunde sedan plockas upp och placeras på vilket substrat som helst.

Även om det finns mycket arbete framför oss för att karakterisera atombindningarna där grafen- och h-BN-domäner möts och att analysera potentiella defekter längs gränserna, Lius elektriska mätningar visade att komponenternas kvaliteter förblir intakta.

"En viktig sak Zheng visade är att även genom att göra alla typer av tillväxt, sedan etsning, sedan återväxt, de inneboende egenskaperna hos dessa två material påverkas inte, "Sade Lou. "Isolatorer förblir isolatorer; de är inte dopade av kolet. Och grafenet ser fortfarande väldigt bra ut. Det är viktigt, eftersom vi vill vara säkra på att det vi odlar är precis vad vi vill ha."

Liu sa att nästa steg är att placera ett tredje element, en halvledare, in i 2D-tyget. "Vi försöker mycket hårt att integrera detta i plattformen, " sa han. "Om vi ​​kan göra det, vi kan bygga verkligt integrerade enheter i planet." Det skulle ge nya alternativ för tillverkare som leker med idén om flexibel elektronik, han sa.

"Bidraget från detta dokument är att visa den allmänna processen, Lou tillade. "Den är robust, det är repeterbart och det skapar material med mycket fina egenskaper och med dimensioner som är på gränsen för vad som är möjligt."