Ett team av multidisciplinära forskare och ingenjörer vid University of Illinois i Urbana-Champaign har upptäckt en ny, mer precist, metod för att skapa elektromekaniska enheter i nanoskala. Deras forskningsresultat publiceras i Naturkommunikation .

"Under de senaste fem åren, det har varit en enorm guldrush där forskare kom på att vi kunde göra 2D-material som naturligtvis bara är en molekyl tjocka men som kan ha många olika elektroniska egenskaper, och genom att stapla dem ovanpå varandra, vi skulle kunna konstruera nästan vilken elektronisk enhet som helst i molekylstorlek, sade Arend van der Zande, professor i mekanisk vetenskap och teknik.

"Utmaningen var, även om vi kunde göra dessa strukturer ner till några få molekyler tjocka, vi kunde inte mönstra dem, " han sa.

På vilken skala av elektronisk utrustning som helst, lager etsas bort i exakta mönster för att styra hur strömmen flyter. "Detta koncept ligger till grund för många tekniker, som integrerade kretsar. Dock, ju mindre du går, desto svårare är detta att göra, sa van der Zande.

"Till exempel, hur får man elektrisk kontakt på molekylskikt tre och fem, men inte på lager fyra på atomnivå?"

En serendipital upptäckt ledde till en metod för att göra just det.

Som ny postdoktor i van der Zandes labb, Jangyup Son körde några experiment på enkla lager grafen med hjälp av Xenon-difluorid, XeF2, när han råkade "kasta in" ett annat material till hands:hexagonal Boron Nitride (hBN), en elektrisk isolator.

"Jangyup tryckte in båda materialen i etsningskammaren samtidigt, och vad han såg var att ett enda lager grafen fortfarande fanns där, men en tjock bit av hBN etsades bort helt av Xenon-difluoriden."

Denna oavsiktliga upptäckt ledde till att teamet såg var de kunde tillämpa grafens förmåga att motstå etsmedlet.

"Denna upptäckt gjorde det möjligt för oss att mönstra tvådimensionella strukturer genom att placera lager av grafen mellan andra material, såsom hexagonal bornitrid (hBN), övergångsmetalldikalkogenider (TMDC), och svart fosfor (BP), att selektivt och exakt etsa ett lager utan att etsa lagret under."

grafen, vid exponering för etsmedlet XeF2, behåller sin molekylära struktur och masker, eller skyddar, lagret under och faktiskt stoppar etsningen.

"Vad vi har upptäckt är ett sätt att mönstra komplicerade strukturer ner till en molekylär och atomär skala, " han sa.

För att utforska styrkorna med den nya tekniken, gruppen skapade en enkel grafentransistor för att testa dess prestanda i förhållande till traditionellt tillverkade grafentransistorer, som för närvarande är mönstrade på ett sätt som framkallar oordning i materialet, försämra deras prestationer.

"Eftersom dessa molekyler är alla ytor, om du har det sitter på något med någon störning alls, det förstör förmågan för elektronerna att röra sig genom materialet och därmed den elektroniska prestandan, " sa van der Zande. "För att göra den bästa möjliga enheten, du måste kapsla in grafenmolekylen i ett annat tvådimensionellt material som isolering av hBN för att hålla den super platt och ren."

Det är här den nya tekniken är så användbar. Grafenmolekylen kan förbli inkapslad och orörd, samtidigt som de tål den etsning som behövs för att få kontakt med materialet, därigenom bevara materialets egenskaper.

Som proof of concept, transistorerna tillverkade med den nya tekniken överträffade alla andra transistorer, "gör dem till de bästa grafentransistorerna hittills visat i litteraturen."

Nästa steg, sa van der Zande, är att se hur skalbar tekniken är och om den kommer att möjliggöra tidigare omöjliga enheter. Kan vi dra fördel av den här teknikens självstoppande karaktär för att göra en miljon identiska transistorer snarare än bara en? Kan vi mönstra enheter ner till nanoskala i alla tre dimensioner samtidigt för att göra nanorband utan störningar?

"Nu när vi har ett sätt att minimera störningen i materialet, vi undersöker sätt att göra mindre detaljer eftersom vi kan göra inkapsling och mönstring samtidigt, " sa han. "Normalt, när du försöker göra mindre detaljer som nanoband av 2D-material börjar störningen dominera, så att enheterna inte fungerar korrekt."

"Grafenets etsstopp, som tekniken kallas, kommer att göra hela processen med att bygga enheter enklare."