Les matériaux bidimensionnels, qui n’ont que quelques atomes d’épaisseur, peuvent présenter des propriétés incroyables, telles que la capacité de transporter des fees électriques de manière extrêmement efficace, ce qui pourrait améliorer les performances des appareils électroniques de nouvelle génération.
Mais l’intégration de matériaux 2D dans des appareils et des systèmes tels que les puces informatiques est notoirement difficile. Ces structures ultrafines peuvent être endommagées par les techniques de fabrication conventionnelles, qui reposent souvent sur l’utilisation de produits chimiques, de températures élevées ou de processus destructeurs comme la gravure.
Pour surmonter ce défi, des chercheurs du MIT et d’ailleurs ont développé une nouvelle strategy permettant d’intégrer des matériaux 2D dans des dispositifs en une seule étape tout en gardant les surfaces des matériaux et les interfaces résultantes intactes et exemptes de défauts.
Leur méthode repose sur les forces d’ingénierie de floor disponibles à l’échelle nanométrique pour permettre au matériau 2D d’être physiquement empilé sur d’autres couches de dispositifs prédéfinies. Le matériau 2D restant intact, les chercheurs peuvent profiter pleinement de ses propriétés optiques et électriques uniques.
Ils ont utilisé cette approche pour fabriquer des réseaux de transistors 2D offrant de nouvelles fonctionnalités par rapport aux dispositifs produits à l’aide de procedures de fabrication conventionnelles. Leur méthode, suffisamment polyvalente pour être utilisée avec de nombreux matériaux, pourrait avoir diverses purposes dans les domaines du calcul haute functionality, de la détection et de l’électronique adaptable.
Au cœur du déverrouillage de ces nouvelles fonctionnalités réside la capacité de previous des interfaces propres, maintenues ensemble par des forces spéciales qui existent entre toute la matière, appelées forces de Van der Waals.
Cependant, une telle intégration de matériaux par Van der Waals dans des dispositifs entièrement fonctionnels n’est pas toujours facile, explique Farnaz Niroui, professeur adjoint de génie électrique et d’informatique (EECS), membre du Laboratoire de recherche en électronique (RLE) et auteur principal de un nouvel write-up décrivant le travail.
« L’intégration de Van der Waals présente une limite fondamentale », explique-t-elle. « Comme ces forces dépendent des propriétés intrinsèques des matériaux, elles ne peuvent pas être facilement ajustées. En conséquence, certains matériaux ne peuvent pas être directement intégrés les uns aux autres en utilisant uniquement leurs interactions de Van der Waals. Nous avons mis au place une plate-forme pour remédier à cette limite afin de contribuer à rendre l’intégration de van der Waals as well as polyvalente et de promouvoir le développement de dispositifs basés sur des matériaux 2D dotés de fonctionnalités nouvelles et améliorées.
Niroui a rédigé l’article avec l’auteur principal Peter Satterthwaite, étudiant diplômé en génie électrique et en informatique Jing Kong, professeur d’EECS et membre de RLE et d’autres au MIT, à l’Université de Boston, à l’Université nationale Tsing Hua de Taiwan, au Conseil countrywide des sciences et systems de Taiwan et à l’Université nationale Cheng Kung de Taiwan. La recherche sera publiée dans Mother nature Electronics.
Attrait avantageux
Fabriquer des systèmes complexes tels qu’une puce informatique avec des procedures de fabrication conventionnelles peut s’avérer compliqué. Généralement, un matériau rigide comme le silicium est ciselé jusqu’à l’échelle nanométrique, puis interfacé avec d’autres composants comme des électrodes métalliques et des couches isolantes pour former un dispositif actif. Un tel traitement peut endommager les matériaux.
Récemment, les chercheurs se sont concentrés sur la construction de dispositifs et de systèmes de bas en haut, en utilisant des matériaux 2D et un processus nécessitant un empilement physique séquentiel. Dans cette approche, plutôt que d’utiliser des colles chimiques ou des températures élevées pour lier un matériau 2D fragile à une area conventionnelle comme le silicium, les chercheurs exploitent les forces de Van der Waals pour intégrer physiquement une couche de matériau 2D sur un appareil.
Les forces de Van der Waals sont des forces d’attraction naturelles qui existent entre toute matière. Par exemple, les pattes d’un gecko peuvent adhérer temporairement au mur en raison des forces de Van der Waals. Bien que tous les matériaux présentent une interaction de Van der Waals, selon le matériau, les forces ne sont pas toujours suffisamment fortes pour les maintenir ensemble. Par exemple, un matériau semi-conducteur 2D populaire connu sous le nom de bisulfure de molybdène adhère à l’or, un métal, mais ne se transfère pas directement aux isolants comme le dioxyde de silicium en entrant simplement en speak to physique avec cette floor.
Cependant, les hétérostructures réalisées en intégrant des couches semi-conductrices et isolantes sont des éléments essentiels d’un dispositif électronique. Auparavant, cette intégration était attainable en liant le matériau 2D à une couche intermédiaire comme l’or, puis en utilisant cette couche intermédiaire pour transférer le matériau 2D sur l’isolant, avant de retirer la couche intermédiaire à l’aide de produits chimiques ou à haute température.
Au lieu d’utiliser cette couche sacrificielle, les chercheurs du MIT intègrent l’isolant à faible adhérence dans une matrice à haute adhérence. Cette matrice adhésive permet au matériau 2D d’adhérer à la area à faible adhérence intégrée, fournissant ainsi les forces nécessaires pour créer une interface van der Waals entre le matériau 2D et l’isolant.
Faire la matrice
Pour fabriquer des appareils électroniques, ils forment une surface hybride de métaux et d’isolants sur un substrat porteur. Cette surface area est ensuite décollée et retournée pour révéler une surface area supérieure complètement lisse contenant les éléments constitutifs de l’appareil souhaité.
Cette douceur est importante, motor vehicle les écarts entre la surface area et le matériau 2D peuvent gêner les interactions de Van der Waals. Ensuite, les chercheurs préparent le matériau 2D séparément, dans un environnement totalement propre, et le mettent en make contact with immediate avec la pile de dispositifs préparée.
« Une fois que la floor hybride est mise en contact avec la couche 2D, sans avoir besoin de températures élevées, de solvants ou de couches sacrificielles, elle peut capter la couche 2D et l’intégrer à la floor. De cette façon, nous permettons à un van der L’intégration Waals qui serait traditionnellement interdite, est désormais feasible et permet la development de dispositifs pleinement fonctionnels en une seule étape », explique Satterthwaite.
Ce processus en une seule étape maintient l’interface du matériau 2D complètement propre, ce qui permet au matériau d’atteindre ses limites fondamentales de overall performance sans être freiné par des défauts ou une contamination.
Et comme les surfaces restent également intactes, les chercheurs peuvent concevoir la area du matériau 2D pour previous des caractéristiques ou des connexions avec d’autres composants. Par exemple, ils ont utilisé cette procedure pour créer des transistors de style p, généralement difficiles à réaliser avec des matériaux 2D. Leurs transistors se sont améliorés par rapport aux études précédentes et peuvent fournir une plate-forme pour étudier et atteindre les performances nécessaires à l’électronique pratique.
Leur approche peut être mise en œuvre à grande échelle pour créer des gammes additionally larges d’appareils. La procedure de la matrice adhésive peut également être utilisée avec une gamme de matériaux, et même avec d’autres forces pour améliorer la polyvalence de cette plateforme. Par exemple, les chercheurs ont intégré du graphène sur un appareil, formant les interfaces van der Waals souhaitées à l’aide d’une matrice constituée d’un polymère. Dans ce cas, l’adhésion repose sur des interactions chimiques plutôt que sur les seules forces de Van der Waals.
À l’avenir, les chercheurs souhaitent s’appuyer sur cette plate-forme pour permettre l’intégration d’une bibliothèque diversifiée de matériaux 2D afin d’étudier leurs propriétés intrinsèques sans l’influence des dommages causés par le traitement, et développer de nouvelles plates-formes de dispositifs exploitant ces fonctionnalités supérieures.
Cette recherche est financée en partie par la National Science Basis des États-Unis, le Département américain de l’énergie, la bourse interdisciplinaire BUnano de l’Université de Boston et le Bureau de recherche de l’armée américaine. Les procédures de fabrication et de caractérisation ont été réalisées en grande partie dans les installations partagées du MIT.nano.
