Exotiska 2-D-material har ett stort löfte för att skapa atom-tunna kretsar som kan driva flexibel elektronik, optoelektronik, och andra nästa generations enheter. Men att tillverka komplexa 2-D-kretsar kräver flera tidskrävande, dyra steg.

I ett papper publicerat i PNAS , forskare från MIT och på andra håll beskriver en teknik som effektiviserar tillverkningsprocessen, genom att odla ett 2-D-material direkt på ett mönstrat substrat och återvinna kretsmönstren.

Forskarna odlar noggrant ett enda lager molybdendisulfid (MoS ₂ ), som bara är tre atomer tjocka, på ett tillväxtsubstrat i ett valt mönster. Detta tillvägagångssätt skiljer sig från traditionella tekniker som växer och etsar bort ett material iterativt, över flera lager. Dessa processer tar ett tag och ökar risken för att orsaka ytdefekter som kan hindra materialets prestanda.

Med den nya metoden, använder bara vatten, forskarna kan överföra materialet från dess tillväxtsubstrat till sitt destinationssubstrat så rent att det ursprungliga mönstrade substratet kan återanvändas som en "master-replika" typ av mögel-vilket betyder en återanvändbar mall för tillverkning. I traditionell tillverkning, tillväxtsubstrat kastas efter varje materialöverföring, och kretsen måste mönstras igen på ett nytt substrat för att återfödas mer material.

"När vi skalar upp och gör mer komplexa elektroniska enheter, människor måste integrera många 2-D-material i fler lager och specifika former. Om vi ​​följer traditionella metoder, steg för steg, det kommer att vara mycket tidskrävande och ineffektivt, "säger den första författaren Yunfan Guo, en postdoc vid Institutionen för elektroteknik och datavetenskap (EECS) och forskningslaboratoriet för elektronik. "Vår metod visar potentialen att göra hela tillverkningsprocessen enklare, lägre kostnad, och mer effektivt. "

I deras arbete, forskarna tillverkade godtyckliga mönster och en fungerande transistor tillverkad av MoS ₂ , som är en av de tunnaste kända halvledarna. I deras studie, forskarna återvände samma mönstrade substrat fyra gånger utan att se tecken på slitage.

Guo förenas på pappret av EECS -professorerna Tomas Palacios och Jing Kong; Ju Li, en MIT -professor i kärnvetenskap och teknik och materialvetenskap och teknik; Xi Ling från Boston University; Letian Dou och Enzheng Shi från Purdue University; sju andra MIT -doktorander, postdoktorer, och alumner; och två andra medförfattare från Cornell University och Purdue University.

Kontrollerad tillväxt

För att designa ett mönster på ett tillväxtsubstrat, forskarna utnyttjade en teknik som använder syrebaserad plasma för att skära mönster i ett substrats yta. Någon version av denna teknik har använts experimentellt tidigare för att odla 2-D materialmönster. Men den rumsliga upplösningen - vilket betyder storleken på exakta strukturer som kan tillverkas - är relativt dålig (100 mikron), och den elektriska prestandan har varit mycket lägre än material som odlats med andra metoder.

För att åtgärda detta, forskarna genomförde fördjupade studier av hur MoS ₂ atomer ordnar sig på en substratyta och hur vissa kemiska prekursorer kan hjälpa till att kontrollera materialets tillväxt. Genom att göra så, de kunde utnyttja tekniken för att odla ett enda lager av högkvalitativ MoS ₂ inom exakta mönster.

Forskarna använde traditionella fotolitografiska masker på ett kiseloxidsubstrat, där det önskade mönstret ligger inom områden som inte är exponerade för ljus. Dessa regioner exponeras därefter för syrebaserad plasma. Plasman etsar bort cirka 1-2 nanometer av substratet i mönstret.

Denna process skapar också en högre ytenergi och en ökad affinitet för vattenälskande ("hydrofila") molekyler i dessa plasmabehandlade regioner. Forskarna använder sedan ett organiskt salt, kallas PTAS, som fungerar som en tillväxtfrämjare för MoS ₂ . Saltet lockas till de nyskapade hydrofila etsade regionerna. Dessutom, forskarna använde svavel, en viktig föregångare för MoS ₂ tillväxt, med en exakt mängd och temperatur för att reglera exakt hur många av materialets atomer som kommer att bildas på substratet.

När forskarna därefter mätte MoS ₂ tillväxt, de fann att den fyllde i cirka 0,7 nanometer av det etsade mönstret. Det motsvarar exakt ett lager av MoS ₂ .

Återvunna mönster

Nästa, forskarna utvecklade en metod för att återvinna det mönstrade substratet. Traditionellt, överföring av 2-D-material från ett tillväxtsubstrat till ett destinationssubstrat, såsom en flexibel yta, kräver att hela det odlade materialet innesluts i en polymer, etsas kemiskt, och separera det från dess tillväxtsubstrat. Men detta ger oundvikligen föroreningar till materialet. När materialet släpptes, det lämnar också rester, så de ursprungliga substraten får inte återanvändas.

På grund av den svaga interaktionen mellan MoS ₂ och tillväxtsubstratet, dock, forskarna fann att de skulle kunna lossa MoS ₂ ren från det ursprungliga underlaget genom att sänka det i vatten. Denna process, kallas "delaminering, "eliminerar behovet av att använda något bärande lager och ger en ren avbrott med materialet från underlaget.

"Det är därför vi kan återvinna det, "Guo säger." Efter att det har överförts, eftersom det är rent, vårt mönstrade substrat återvinns och vi kan använda det för flera tillväxter. "

Forskarnas innovationer introducerar mycket färre ytdefekter som begränsar prestanda, mätt i elektronmobilitet - hur snabbt elektroner rör sig genom en halvledare.

I deras papper, forskarna tillverkade en 2-D-transistor, kallas en fälteffekttransistor. Resultaten indikerar att elektronmobilitet och "on-off ratio"-hur effektivt en transistor flickar mellan 1 och 0 beräkningstillstånd-är jämförbara med de rapporterade värdena för traditionellt odlad högkvalitativ, högpresterande material.

Fälteffekttransistorn har för närvarande en rumslig upplösning på cirka 2 mikron, som endast begränsas av lasern de mikrofabrikationsinstrument som forskarna använde. Nästa, forskarna hoppas kunna minska mönstret, och integrera direkt komplexa kretsar på 2-D-material med deras tillverkningsteknik.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.