p Materiais 2-D exóticos são uma grande promessa para a criação de circuitos de átomos finos que poderiam alimentar eletrônicos flexíveis, optoeletrônica, e outros dispositivos de última geração. Mas a fabricação de circuitos 2-D complexos requer vários processos demorados, etapas caras. p Em um artigo publicado em PNAS , pesquisadores do MIT e de outros lugares descrevem uma técnica que agiliza o processo de fabricação, crescendo um material 2-D diretamente em um substrato padronizado e reciclando os padrões do circuito.

p Os pesquisadores cultivam cuidadosamente uma única camada de dissulfeto de molibdênio (MoS ₂ ), que tem apenas três átomos de espessura, em um substrato de crescimento em um padrão escolhido. Esta abordagem difere das técnicas tradicionais que crescem e decapam um material iterativamente, em várias camadas. Esses processos demoram e aumentam as chances de causar defeitos superficiais que podem prejudicar o desempenho do material.

p Com o novo método, usando apenas água, os pesquisadores podem transferir o material de seu substrato de crescimento para seu substrato de destino de forma tão limpa que o substrato padronizado original pode ser reutilizado como um tipo de molde "réplica master" - ou seja, um modelo reutilizável para fabricação. Na fabricação tradicional, substratos de crescimento são jogados após cada transferência de material, e o circuito deve ser padronizado novamente em um novo substrato para regenerar mais material.

p "Quando aumentamos a escala e fabricamos dispositivos eletrônicos mais complexos, as pessoas precisam integrar vários materiais 2-D em mais camadas e formas específicas. Se seguirmos os métodos tradicionais, passo a passo, será muito demorado e ineficiente, "diz o primeiro autor Yunfan Guo, pós-doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) e no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica. "Nosso método mostra o potencial de tornar todo o processo de fabricação mais simples, custo mais baixo, e mais eficiente. "

p Em seu trabalho, os pesquisadores fabricaram padrões arbitrários e um transistor funcional feito de MoS ₂ , que é um dos mais finos semicondutores conhecidos. Em seu estudo, os pesquisadores reciclaram o mesmo substrato padronizado quatro vezes sem ver sinais de desgaste.

p Guo é acompanhado no artigo pelos professores do EECS, Tomas Palacios e Jing Kong; Ju Li, professor do MIT de ciência e engenharia nuclear e de ciência e engenharia de materiais; Xi Ling da Universidade de Boston; Letian Dou e Enzheng Shi da Purdue University; sete outros alunos de pós-graduação do MIT, pós-doutorado, e ex-alunos; e dois outros co-autores da Cornell University e Purdue University.

p Crescimento controlado

p Para projetar um padrão em um substrato de crescimento, os pesquisadores alavancaram uma técnica que usa plasma à base de oxigênio para esculpir padrões na superfície de um substrato. Alguma versão desta técnica foi usada experimentalmente antes para cultivar padrões de material 2-D. Mas a resolução espacial - ou seja, o tamanho das estruturas precisas que podem ser fabricadas - é relativamente pobre (100 mícrons), e o desempenho elétrico tem sido muito inferior ao dos materiais cultivados com outros métodos.

p Para consertar isso, os pesquisadores realizaram estudos aprofundados sobre como o MoS ₂ átomos se organizam em uma superfície de substrato e como certos precursores químicos podem ajudar a controlar o crescimento do material. Ao fazer isso, eles foram capazes de alavancar a técnica para cultivar uma única camada de MoS de alta qualidade ₂ dentro de padrões precisos.

p Os pesquisadores usaram máscaras fotolitográficas tradicionais em um substrato de óxido de silício, onde o padrão desejado está dentro de regiões não expostas à luz. Essas regiões são subsequentemente expostas ao plasma à base de oxigênio. O plasma remove cerca de 1-2 nanômetros do substrato no padrão.

p Este processo também cria uma energia de superfície mais alta e uma afinidade aprimorada para moléculas que amam a água ("hidrofílicas") nessas regiões tratadas com plasma. Os pesquisadores então usam um sal orgânico, chamado PTAS, que atua como um promotor de crescimento para MoS ₂ . O sal é atraído para as regiões gravadas hidrofílicas recém-criadas. Além disso, os pesquisadores usaram enxofre, um precursor essencial para MoS ₂ crescimento, em uma quantidade e temperatura precisas para regular exatamente quantos átomos do material se formarão no substrato.

p Quando os pesquisadores subsequentemente mediram o MoS ₂ crescimento, eles descobriram que ele preenchia cerca de 0,7 nanômetro do padrão gravado. Isso é equivalente a exatamente uma camada de MoS ₂ .

p Padrões reciclados

p Próximo, os pesquisadores desenvolveram um método para reciclar o substrato padronizado. Tradicionalmente, transferir materiais 2-D de um substrato de crescimento para um substrato de destino, como uma superfície flexível, requer envolver todo o material crescido em um polímero, gravando quimicamente, e separando-o de seu substrato de crescimento. Mas isso inevitavelmente traz contaminantes para o material. Quando o material foi lançado, também deixa resíduos, portanto, os substratos originais não podem ser reutilizados.

p Devido à fraca interação entre MoS ₂ e o substrato de crescimento, Contudo, os pesquisadores descobriram que podiam separar o MoS ₂ de forma limpa do substrato original, submergindo-o em água. Este processo, chamado de "delaminação, "elimina a necessidade de usar qualquer camada de suporte e produz uma ruptura nítida com o material do substrato.

p "É por isso que podemos reciclá-lo, "Guo diz." Depois de transferido, porque é puramente limpo, nosso substrato padronizado é recuperado e podemos usá-lo para vários crescimentos. "

p As inovações dos pesquisadores introduzem muito menos defeitos de superfície que limitam o desempenho, medida na mobilidade do elétron - a velocidade com que os elétrons se movem através de um semicondutor.

p Em seu jornal, os pesquisadores fabricaram um transistor 2-D, chamado de transistor de efeito de campo. Os resultados indicam que a mobilidade do elétron e a "razão liga-desliga" - com que eficiência um transistor oscila entre os estados computacionais 1 e 0 - são comparáveis ​​aos valores relatados de alta qualidade tradicionalmente crescida, materiais de alto desempenho.

p O transistor de efeito de campo atualmente tem uma resolução espacial de cerca de 2 mícrons, que é limitado apenas pelo laser dos instrumentos de microfabricação usados ​​pelos pesquisadores. Próximo, os pesquisadores esperam reduzir o tamanho do padrão, e integrar diretamente circuitos complexos em materiais 2-D usando sua técnica de fabricação. p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.