När kiselbaserade datorchips närmar sig sina fysiska begränsningar i jakten på snabbare och mindre design, är sökandet efter alternativa material som förblir funktionella på atomär skala en av vetenskapens största utmaningar.
I en banbrytande utveckling har forskare vid Würzburg-Dresden Cluster of Excellence konstruerat en skyddande film som skyddar kvanthalvledarskikt bara en atom tjocka från miljöpåverkan utan att kompromissa med deras revolutionerande kvantegenskaper. Detta gör att appliceringen av dessa känsliga atomlager i ultratunna elektroniska komponenter är inom realistisk räckvidd. Resultaten har publicerats i Nature Communications .
Kapplöpet att skapa allt snabbare och kraftfullare datorchips fortsätter när transistorer, deras grundläggande komponenter, krymper till allt mindre och mer kompakta storlekar. Om några år kommer dessa transistorer att mäta bara ett fåtal atomer i diameter - då kommer miniatyriseringen av den kiselteknologi som för närvarande används att ha nått sina fysiska gränser. Följaktligen är jakten på alternativa material med helt nya egenskaper avgörande för framtida tekniska framsteg.
År 2021 gjorde forskare från Cluster of Excellence ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter vid universiteten JMU Würzburg och TU Dresden en betydande upptäckt:topologiska kvantmaterial som indenen, som lovar mycket för ultrasnabb, energieffektiv elektronik . De resulterande, extremt tunna kvanthalvledarna är sammansatta av ett enda atomskikt – i indenenens fall indiumatomer – och fungerar som topologiska isolatorer och leder elektricitet praktiskt taget utan motstånd längs deras kanter.
"Att producera ett sådant enda atomlager kräver sofistikerad vakuumutrustning och ett specifikt substratmaterial. För att kunna använda detta tvådimensionella material i elektroniska komponenter skulle det behöva avlägsnas från vakuummiljön. Men exponering för luft, även kortvarigt, leder till att oxidation, förstör dess revolutionära egenskaper och gör den oanvändbar", förklarar experimentell fysiker professor Ralph Claessen, ct.qmats Würzburg-talesperson.
"Vi ägnade två år åt att hitta en metod för att skydda det känsliga indenenskiktet från miljöelement med hjälp av en skyddande beläggning. Utmaningen var att säkerställa att denna beläggning inte interagerar med indenenskiktet", förklarar Cedric Schmitt, en av Claessens doktorander som är involverad i projektet.
Denna interaktion är problematisk eftersom olika typer av atomer – från till exempel skyddsskiktet och halvledaren – möts, reagerar de kemiskt på atomnivå och förändrar materialet. Detta är inte ett problem med konventionella kiselchips, som består av flera atomlager, vilket lämnar tillräckligt många lager opåverkade och därmed fortfarande funktionella.
"Ett halvledarmaterial som består av ett enda atomlager som indenen skulle normalt äventyras av en skyddande film. Detta utgjorde en till synes oöverstiglig utmaning som väckte vår forskningsnyfikenhet", säger Claessen. Sökandet efter ett livskraftigt skyddande lager ledde dem att utforska van der Waals-material, uppkallat efter den holländska fysikern Johannes Diderik van der Waals (1837–1923).
Claessen förklarar, "Dessa tvådimensionella van der Waals atomlager kännetecknas av starka inre bindningar mellan sina atomer, medan de bara binder svagt till substratet. Detta koncept är besläktat med hur blyertspenna gjort av grafit - en form av kol med atomer ordnade i honeycomb-lager – skriver på papper. Lagren av grafen kan enkelt separeras. Vi strävade efter att replikera denna egenskap."
Med hjälp av sofistikerad ultrahögvakuumutrustning experimenterade Würzburg-teamet med att värma kiselkarbid (SiC) som ett substrat för indenen, och utforskade de förhållanden som behövs för att bilda grafen från det. "Kiselkarbid består av kisel och kolatomer. Upphettning av den gör att kolatomerna lossnar från ytan och bildar grafen", säger Schmitt. "Vi ångdeponerade sedan indiumatomer, som är nedsänkta mellan det skyddande grafenskiktet och kiselkarbidsubstratet. Det är så skyddsskiktet för vårt tvådimensionella kvantmaterial indenen bildades."
För första gången globalt skapade Claessen och hans team på ct.qmats filial i Würzburg framgångsrikt ett funktionellt skyddsskikt för ett tvådimensionellt kvanthalvledarmaterial utan att kompromissa med dess extraordinära kvantegenskaper. Efter att ha analyserat tillverkningsprocessen testade de noggrant skiktets skyddande förmåga mot oxidation och korrosion. "Det fungerar! Provet kan till och med utsättas för vatten utan att påverkas på något sätt", säger Claessen med förtjusning. "Grafenlagret fungerar som ett paraply för vår indenen."
Detta genombrott banar väg för tillämpningar som involverar mycket känsliga halvledaratomlager. Tillverkningen av ultratunna elektroniska komponenter kräver att de bearbetas i luft eller andra kemiska miljöer. Detta har gjorts möjligt tack vare upptäckten av denna skyddsmekanism.
Teamet i Würzburg fokuserar nu på att identifiera fler van der Waals-material som kan fungera som skyddande lager – och de har redan några framtidsutsikter i åtanke. Haken är att trots grafens effektiva skydd av atomära monolager mot miljöfaktorer, utgör dess elektriska ledningsförmåga en risk för kortslutningar. Würzburg-forskarna arbetar på att övervinna dessa utmaningar och skapa förutsättningar för morgondagens atomlagerelektronik.
Mer information: Cedric Schmitt et al, Att uppnå miljöstabilitet i en atomärt tunn quantum spin Hall-isolator via grafeninterkalering, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45816-9
Tillhandahålls av Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat
