Halvledare, som är de grundläggande byggstenarna för transistorer, mikroprocessorer, lasrar, och lysdioder, har drivit framsteg inom datoranvändning, minne, kommunikation, och ljusteknik sedan mitten av 1900-talet. Nyligen upptäckte tvådimensionella material, som har många superlativa egenskaper, har potential att utveckla denna teknik, men att skapa 2D-enheter med både bra elektriska kontakter och stabil prestanda har visat sig vara utmanande.

Forskare vid Columbia Engineering rapporterar att de har demonstrerat en nästan idealisk transistor gjord av en tvådimensionell (2-D) materialstapel - med endast ett tvåatomstjockt halvledande skikt - genom att utveckla en helt ren och skadafri tillverkningsprocess. Deras metod visar avsevärt förbättrad prestanda jämfört med 2D-halvledare tillverkade med en konventionell process, och skulle kunna tillhandahålla en skalbar plattform för att skapa ultrarena enheter i framtiden. Studien publicerades idag i Naturelektronik .

"Att göra enheter av 2D-material är en rörig affär, " säger James Teherani, biträdande professor i elektroteknik. "Enheter varierar mycket från körning till körning och försämras ofta så snabbt att du ser prestanda minska medan du fortfarande mäter dem."

Efter att ha tröttnat på de inkonsekventa resultaten, Teheranis team satte sig för att utveckla ett bättre sätt att göra stabila enheter. "Så, " han förklarar, "vi bestämde oss för att separera den orörda enheten från de smutsiga tillverkningsprocesserna som leder till variation."

Som framgår av denna nya studie, Teherani och hans kollegor utvecklade ett tvåsteg, ultraren nanotillverkningsprocess som skiljer de "stökiga" tillverkningsstegen – de som involverar "smutsig" metallisering, kemikalier, och polymerer som används för att bilda elektriska anslutningar till enheten – från det aktiva halvledarskiktet. När de väl har slutfört den röriga tillverkningen, de kunde plocka upp kontakterna och överföra dem till det rena aktiva enhetslagret, bevara integriteten för båda skikten.

"Tunnheten hos dessa halvledare är en välsignelse och en förbannelse, " säger Teherani. "Medan tunnheten tillåter dem att vara genomskinliga och att plockas upp och placeras var du vill ha dem, tunnheten betyder också att det är nästan noll volym – enheten är nästan helt på ytan. På grund av detta, all ytsmuts eller förorening kommer verkligen att förstöra en enhet."

För närvarande, de flesta enheter är inte inkapslade med ett lager som skyddar ytan och kontakterna från kontaminering under tillverkningen. Teheranis team visade att deras metod nu inte bara kan skydda halvledarskiktet så att de inte ser prestandaförsämring över tiden, men det kan också ge högpresterande enheter.

Teherani samarbetade med Jim Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik, använder sig av tillverknings- och analysfaciliteterna från Columbia Nano Initiative och National Science Foundation-finansierade Materials Research Science and Engineering Center i Columbia. Teamet gjorde de överförda kontakterna från metall inbäddad i isolerande hexagonal bornitrid (h-BN) utanför ett handskfack och torrförde sedan kontaktskiktet till 2-D-halvledaren, som hölls orörda inuti ett kvävehandskfack. Denna process förhindrar direkt metalliseringsinducerad skada samtidigt som den tillhandahåller inkapsling för att skydda enheten.

Nu när forskarna har utvecklat ett stall, repeterbar process, de använder plattformen för att göra enheter som kan flytta ut från labbet till verkliga tekniska problem.

"Utvecklingen av högpresterande 2D-enheter kräver framsteg i de halvledarmaterial som de är gjorda av, " Teherani tillägger. "Mer exakta verktyg som vårt kommer att göra det möjligt för oss att bygga mer komplexa strukturer med potentiellt större funktionalitet och bättre prestanda."

Studien har titeln "Överförd via kontakter som en plattform för idealiska tvådimensionella transistorer."