Зеркало, зеркало, кто из полупроводников самый эффективный?

Группа исследователей под руководством Пенсильванского университета обнаружила, что шаги атомного масштаба на сапфировых подложках позволяют выравнивать кристаллы 2D-материалов во время производства полупроводников. Манипулирование этими материалами во время синтеза может уменьшить количество дефектов и улучшить характеристики электронных устройств. Фото: Дженнифер Макканн/Пенсильванский университет/Пенсильванский университет. Все права защищены.

3 августа 2023 г.

Джейми Обердик

УНИВЕРСИТЕТ-ПАРК, Пенсильвания — Следующему поколению 2D-полупроводниковых материалов не нравится то, что они видят, когда смотрят в зеркало. Современные подходы к синтезу однослойных нанолистов полупроводникового материала для атомно-тонкой электроники развивают своеобразный дефект «зеркальный двойник», когда материал осаждается на монокристаллические подложки, такие как сапфир. Синтезированный нанолист содержит границы зерен, которые действуют как зеркало, при этом атомы на каждой стороне расположены в отраженной оппозиции друг другу.

По мнению исследователей из Инновационной платформы консорциума двумерных кристаллов штата Пенсильвания (2DCC-MIP) и их сотрудников, это проблема. Электроны рассеиваются, когда достигают границы, снижая производительность таких устройств, как транзисторы. По словам исследователей, это является узким местом на пути развития электроники следующего поколения для таких приложений, как Интернет вещей и искусственный интеллект. Но теперь исследовательская группа, возможно, нашла решение, как исправить этот дефект. Они опубликовали свою работу в журнале Nature Nanotechnology.

По словам ведущего автора Джоан Редвинг, директора 2DCC-MIP, это исследование может оказать существенное влияние на исследования в области полупроводников, поскольку позволит другим исследователям уменьшить дефекты зеркальных двойников, особенно с учетом того, что эта область привлекает повышенное внимание и финансирование со стороны CHIPS и Закона о науке, утвержденного последним. год. Принятие закона увеличило финансирование и другие ресурсы для стимулирования усилий Америки по развитию производства и развития полупроводниковых технологий.

По мнению Редвинга, однослойный лист диселенида вольфрама толщиной всего в три атома может стать высокоэффективным, атомарно тонким полупроводником для контроля и манипулирования потоком электрического тока. Чтобы создать нанолист, исследователи используют химическое осаждение из паровой фазы металлов и органических соединений (MOCVD), технологию производства полупроводников, которая используется для нанесения ультратонких монокристаллических слоев на подложку, в данном случае на сапфировую пластину.

По словам Редвинга, хотя MOCVD используется при синтезе других материалов, исследователи 2DCC-MIP первыми применили его для синтеза 2D-полупроводников, таких как диселенид вольфрама. Диселенид вольфрама принадлежит к классу материалов, называемых дихалькогенидами переходных металлов, которые имеют толщину в три атома, при этом металлический вольфрам зажат между атомами селенида неметалла, что проявляет желательные полупроводниковые свойства для современной электроники.

«Чтобы получить однослойные листы с высокой степенью кристаллического совершенства, мы использовали сапфировые пластины в качестве шаблона для выравнивания кристаллов диселенида вольфрама, когда они осаждаются методом MOCVD на поверхности пластины», — сказал Редвинг, который также является заслуженным профессором в области материалов. науки, техники и электротехники в Пенсильванском университете. «Однако кристаллы диселенида вольфрама могут располагаться в противоположных направлениях на сапфировой подложке. По мере того, как противоположно ориентированные кристаллы увеличиваются в размерах, они в конечном итоге встречаются друг с другом на поверхности сапфира, образуя границу зеркального двойника».

Чтобы решить эту проблему и заставить большую часть кристаллов диселенида вольфрама выровняться с кристаллами сапфира, исследователи воспользовались «ступенями» на поверхности сапфира. Монокристалл сапфира, из которого состоит пластина, очень совершенен с физической точки зрения; однако на атомном уровне он не совсем плоский. На поверхности есть ступеньки высотой всего в один или два атома с плоскими участками между каждой ступенькой.

Здесь, по словам Редвинга, исследователи обнаружили предполагаемый источник дефекта зеркала.