Tvådimensionella material, som bara är några få atomer tjocka, kan uppvisa några otroliga egenskaper, såsom förmågan att bära elektrisk laddning extremt effektivt, vilket kan öka prestandan hos nästa generations elektroniska enheter.
Det är dock notoriskt svårt att integrera 2D-material i enheter och system som datorchips. Dessa ultratunna strukturer kan skadas av konventionella tillverkningstekniker, som ofta är beroende av användningen av kemikalier, höga temperaturer eller destruktiva processer som etsning.
För att övervinna denna utmaning har forskare från MIT och andra håll utvecklat en ny teknik för att integrera 2D-material i enheter i ett enda steg samtidigt som ytorna på materialen och de resulterande gränssnitten hålls orörda och fria från defekter.
Deras metod förlitar sig på tekniska ytkrafter tillgängliga på nanoskala för att tillåta 2D-materialet att fysiskt staplas på andra förbyggda enhetslager. Eftersom 2D-materialet förblir oskadat kan forskarna dra full nytta av dess unika optiska och elektriska egenskaper.
De använde detta tillvägagångssätt för att tillverka arrayer av 2D-transistorer som uppnådde nya funktioner jämfört med enheter som producerats med konventionella tillverkningstekniker. Deras metod, som är tillräckligt mångsidig för att användas med många material, kan ha olika tillämpningar inom högpresterande datoranvändning, avkänning och flexibel elektronik.
Kärnan i att låsa upp dessa nya funktioner är förmågan att bilda rena gränssnitt, sammanhållna av specialkrafter som finns mellan all materia, kallade van der Waals-krafter.
Men sådan van der Waals-integrering av material i fullt fungerande enheter är inte alltid lätt, säger Farnaz Niroui, biträdande professor i elektroteknik och datavetenskap (EECS), medlem av Research Laboratory of Electronics (RLE) och senior författare till ett nytt papper som beskriver arbetet.
"Van der Waals integration har en grundläggande gräns", förklarar hon. "Eftersom dessa krafter är beroende av materialens inneboende egenskaper kan de inte enkelt justeras. Som ett resultat finns det vissa material som inte kan integreras direkt med varandra med hjälp av enbart van der Waals-interaktioner. Vi har utvecklat en plattform för att ta itu med denna gräns för att hjälpa till att göra van der Waals integration mer mångsidig, för att främja utvecklingen av 2D-materialbaserade enheter med nya och förbättrade funktioner."
Forskningen kommer att publiceras i Nature Electronics .
Att göra komplexa system som ett datorchip med konventionell tillverkningsteknik kan bli rörigt. Vanligtvis är ett styvt material som kisel mejslat ner till nanoskala och sedan sammankopplat med andra komponenter som metallelektroder och isolerande lager för att bilda en aktiv enhet. Sådan bearbetning kan orsaka skador på materialen.
Nyligen har forskare fokuserat på att bygga enheter och system nerifrån och upp, med hjälp av 2D-material och en process som kräver sekventiell fysisk stapling. I detta tillvägagångssätt, snarare än att använda kemiska lim eller höga temperaturer för att binda ett ömtåligt 2D-material till en konventionell yta som kisel, utnyttjar forskare van der Waals krafter för att fysiskt integrera ett lager av 2D-material på en enhet.
Van der Waals krafter är naturliga attraktionskrafter som finns mellan all materia. Till exempel kan en geckos fötter tillfälligt fastna på väggen på grund av van der Waals krafter.
Även om alla material uppvisar en van der Waals-interaktion, beroende på materialet, är krafterna inte alltid tillräckligt starka för att hålla dem samman. Till exempel kommer ett populärt halvledande 2D-material känt som molybdendisulfid att fastna på guld, en metall, men kommer inte direkt att överföras till isolatorer som kiseldioxid genom att bara komma i fysisk kontakt med den ytan.
Men heterostrukturer gjorda genom att integrera halvledare och isolerande skikt är viktiga byggstenar i en elektronisk enhet. Tidigare har denna integrering möjliggjorts genom att binda 2D-materialet till ett mellanskikt som guld och sedan använda detta mellanskikt för att överföra 2D-materialet till isolatorn innan det mellanliggande skiktet avlägsnas med kemikalier eller höga temperaturer.
Istället för att använda detta offerlager, bäddar MIT-forskarna in isolatorn med låg vidhäftning i en matris med hög vidhäftning. Denna adhesiva matris är det som gör att 2D-materialet fastnar på den inbäddade lågvidhäftningsytan, vilket ger de krafter som behövs för att skapa ett van der Waals-gränssnitt mellan 2D-materialet och isolatorn.
För att tillverka elektroniska enheter bildar de en hybridyta av metaller och isolatorer på ett bärarsubstrat. Denna yta skalas sedan av och vänds för att avslöja en helt slät toppyta som innehåller byggstenarna för den önskade enheten.
Denna jämnhet är viktig eftersom gap mellan ytan och 2D-materialet kan hindra van der Waals-interaktioner. Sedan förbereder forskarna 2D-materialet separat i en helt ren miljö och bringar det i direkt kontakt med den förberedda enhetsstacken.
"När hybridytan väl har kommit i kontakt med 2D-skiktet, utan att behöva några höga temperaturer, lösningsmedel eller offerskikt, kan den plocka upp 2D-skiktet och integrera det med ytan. På så sätt tillåter vi en van der Waals integration som traditionellt skulle vara förbjuden men som nu är möjlig och som tillåter bildandet av fullt fungerande enheter i ett enda steg," förklarar Satterthwaite.
Denna enstegsprocess håller 2D-materialgränssnittet helt rent, vilket gör att materialet når sina grundläggande prestandagränser utan att hållas tillbaka av defekter eller kontaminering.
Och eftersom ytorna också förblir orörda, kan forskare konstruera ytan på 2D-materialet för att bilda egenskaper eller anslutningar till andra komponenter. Till exempel använde de denna teknik för att skapa transistorer av p-typ, som i allmänhet är utmanande att göra med 2D-material. Deras transistorer har förbättrats jämfört med tidigare studier och kan ge en plattform för att studera och uppnå den prestanda som behövs för praktisk elektronik.
Deras tillvägagångssätt kan göras i stor skala för att göra större arrayer av enheter. Den adhesiva matristekniken kan också användas med en rad olika material och till och med med andra krafter för att öka mångsidigheten hos denna plattform. Till exempel integrerade forskarna grafen på en enhet och bildade de önskade van der Waals-gränssnitten med hjälp av en matris gjord med en polymer. I det här fallet bygger vidhäftning på kemiska interaktioner snarare än enbart van der Waals-krafter.
I framtiden vill forskarna bygga vidare på denna plattform för att möjliggöra integration av ett mångsidigt bibliotek av 2D-material för att studera deras inneboende egenskaper utan påverkan av bearbetningsskador och utveckla nya enhetsplattformar som utnyttjar dessa överlägsna funktioner.
Mer information: Farnaz Niroui et al, Van der Waals integration bortom gränserna för van der Waals krafter med hjälp av adhesiv matrisöverföring, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01079-8
Journalinformation: Naturelektronik
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
