Forskare vid University of Manchester har gjort ett genombrott i överföringen av 2D-kristaller, vilket banar väg för deras kommersialisering inom nästa generations elektronik. Denna teknik, som beskrivs i en nyligen genomförd Nature Electronics artikeln, använder en helt oorganisk stämpel för att skapa de renaste och mest enhetliga 2D-materialstaplarna hittills.
Teamet, ledd av professor Roman Gorbatjov från National Graphene Institute, använde den oorganiska stämpeln för att exakt "plocka och placera" 2D-kristaller i van der Waals heterostrukturer av upp till åtta individuella lager i en miljö med ultrahögt vakuum. Detta framsteg resulterade i atomiskt rena gränssnitt över utvidgade områden, ett betydande steg framåt jämfört med befintliga tekniker och ett avgörande steg mot kommersialiseringen av 2D-materialbaserade elektroniska enheter.
Dessutom minimerade styvheten hos den nya stämpeldesignen effektivt töjningsinhomogenitet i monterade staplar. Teamet observerade en anmärkningsvärd minskning av lokal variation – över en storleksordning – vid "vridna" gränssnitt, jämfört med nuvarande toppmoderna sammansättningar.
Den exakta staplingen av individuella 2D-material i definierade sekvenser har potentialen att konstruera designerkristaller på atomnivå, med nya hybridegenskaper. Även om många tekniker har utvecklats för att överföra individuella skikt, förlitar sig nästan alla på organiska polymermembran eller stämplar för mekaniskt stöd under övergången från sina ursprungliga substrat till målsubstraten. Tyvärr introducerar detta beroende av organiska material oundvikligen 2D-materials ytförorening, även i noggrant kontrollerade renrumsmiljöer.
I många fall kommer ytföroreningar som fångas mellan 2D-materialskikt spontant att segregera till isolerade bubblor separerade av atomiskt rena områden. "Denna segregation har gjort det möjligt för oss att utforska de unika egenskaperna hos atomiskt perfekta stackar", förklarade professor Gorbatjov. "Men de rena områdena mellan föroreningsbubblor är i allmänhet begränsade till tiotals mikrometer för enkla staplar, med ännu mindre ytor för mer komplexa strukturer som involverar ytterligare lager och gränssnitt."
Han utvecklade vidare:"Denna allestädes närvarande överföringsinducerade kontamineringen, tillsammans med den variabla belastningen som introducerades under överföringsprocessen, har varit det primära hindret för utvecklingen av industriellt livskraftiga elektroniska komponenter baserade på 2D-material."
Det polymera stödet som används i konventionella tekniker fungerar både som en källa till förorening i nanoskala och som ett hinder för ansträngningar att eliminera redan existerande och omgivande föroreningar. Till exempel blir adsorberad förorening mer rörlig vid höga temperaturer och kan desorberas helt, men polymerer kan vanligtvis inte motstå temperaturer över några hundra grader. Dessutom är polymerer oförenliga med många flytande rengöringsmedel och tenderar att gasa ut under vakuum.
"För att övervinna dessa begränsningar, utvecklade vi en alternativ hybridstämpel, bestående av ett flexibelt kiselnitridmembran för mekaniskt stöd och ett ultratunt metallskikt som ett klibbigt "lim" för att plocka upp 2D-kristallerna", förklarade Dr. Nick Clark, andra författare till studien.
"Genom att använda metallskiktet kan vi försiktigt plocka upp ett enda 2D-material och sedan sekventiellt "stämpla" dess atomiskt plana nedre yta på ytterligare kristaller. Van der Waals-krafterna vid detta perfekta gränssnitt orsakar vidhäftning av dessa kristaller, vilket gör det möjligt för oss att konstruera felfritt högar på upp till åtta lager."
Efter att framgångsrikt ha demonstrerat tekniken med mikroskopiska flingor mekaniskt exfolierade från kristaller med metoden "klibbigt tejp", skalade teamet upp den ultrarena överföringsprocessen för att hantera material som odlats från gasfasen i större storlekar, vilket uppnådde ren överföring av ytor i mm-skala. Förmågan att arbeta med dessa "odlade" 2D-material är avgörande för deras skalbarhet och potentiella tillämpningar i nästa generations elektroniska enheter.
Mer information: Wendong Wang et al, Ren montering av van der Waals heterostrukturer med kiselnitridmembran, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01075-y
Journalinformation: Naturelektronik
Tillhandahålls av University of Manchester
