Uma imagem de microscópio óptico aprimorada de uma estrutura de barra de Hall usada para caracterizar as propriedades do transistor para dispositivos feitos com contatos transferidos ultralimpos. As longas linhas radiais, feito de ouro depositado, conecte os pequenos contatos no centro do dispositivo a grandes almofadas de sonda para facilitar as medições. Crédito:Min Sup Choi / Columbia Engineering
Semicondutores, que são os blocos de construção básicos dos transistores, microprocessadores, lasers, e LEDs, impulsionaram avanços na computação, memória, comunicações, e tecnologias de iluminação desde meados do século XX. Materiais bidimensionais recentemente descobertos, que apresentam muitas propriedades superlativas, têm o potencial de fazer avançar essas tecnologias, mas criar dispositivos 2-D com bons contatos elétricos e desempenho estável provou ser um desafio.
Pesquisadores da Columbia Engineering relatam que demonstraram um transistor quase ideal feito de uma pilha de material bidimensional (2-D) - com apenas uma camada semicondutora de dois átomos de espessura - desenvolvendo um processo de fabricação totalmente limpo e sem danos. Seu método mostra um desempenho amplamente melhorado em comparação com semicondutores 2-D fabricados com um processo convencional, e pode fornecer uma plataforma escalonável para a criação de dispositivos ultralimpos no futuro. O estudo foi publicado hoje em Nature Electronics .
"Fabricar dispositivos com materiais 2-D é uma tarefa complicada, "diz James Teherani, professor assistente de engenharia elétrica. "Os dispositivos variam muito de execução para execução e muitas vezes se degradam tão rápido que você vê o desempenho diminuir enquanto ainda os mede."
Tendo se cansado dos resultados inconsistentes, A equipe de Teherani decidiu desenvolver uma maneira melhor de fazer dispositivos estáveis. "Então, " ele explica, "decidimos separar o dispositivo original dos processos de fabricação suja que levam à variabilidade."
Conforme mostrado neste novo estudo, Teherani e seus colegas desenvolveram um projeto de duas etapas, processo de nanofabricação ultralimpa que separa as etapas "complicadas" de fabricação - aquelas que envolvem metalização "suja", produtos químicos, e polímeros usados para formar conexões elétricas com o dispositivo - da camada semicondutora ativa. Assim que concluírem a confusa fabricação, eles poderiam pegar os contatos e transferi-los para a camada limpa do dispositivo ativo, preservando a integridade de ambas as camadas.
"A espessura desses semicondutores é uma bênção e uma maldição, "diz Teherani." Embora a finura permita que eles sejam transparentes e sejam pegos e colocados onde você quiser, a espessura também significa que o volume é quase zero - o dispositivo é quase inteiramente superficial. Por causa disso, qualquer sujeira ou contaminação da superfície realmente degradará um dispositivo. "
Atualmente, a maioria dos dispositivos não é encapsulada com uma camada que protege a superfície e os contatos de contaminação durante a fabricação. A equipe de Teherani mostrou que seu método agora pode não apenas proteger a camada semicondutora para que eles não vejam a degradação do desempenho ao longo do tempo, mas também pode produzir dispositivos de alto desempenho.
Teherani colaborou com Jim Hone, Wang Fong-Jen Professor de Engenharia Mecânica, fazendo uso das instalações de fabricação e análise da Columbia Nano Initiative e do Centro de Pesquisa e Engenharia de Materiais, financiado pela National Science Foundation, em Columbia. A equipe fez os contatos transferidos de metal embutido em nitreto de boro hexagonal isolante (h-BN) fora de uma caixa de luvas e, em seguida, transferiu a seco a camada de contato para o semicondutor 2-D, que foi mantido intocado dentro de uma caixa de luvas de nitrogênio. Este processo evita danos induzidos por metalização direta, ao mesmo tempo que fornece encapsulamento para proteger o dispositivo.
O processo de fabricação de contatos transferidos que geram transistores quase ideais. Os contatos transferidos evitam a contaminação e danos ao semicondutor 2D que ocorrem durante a fabricação de contatos convencionais. Crédito:Min Sup Choi / Columbia Engineering
Uma estrutura de dispositivo de barra Hall (ver detalhe) é ligada por fio a um portador de chip de 16 pinos. O portador do chip permite uma extensa caracterização elétrica do dispositivo em baixas temperaturas e altos campos magnéticos. Crédito:Min Sup Choi / Columbia Engineering
Agora que os pesquisadores desenvolveram um estábulo, processo repetível, eles estão usando a plataforma para fazer dispositivos que podem sair do laboratório para problemas de engenharia do mundo real.
"O desenvolvimento de dispositivos 2-D de alto desempenho requer avanços nos materiais semicondutores dos quais são feitos, "Teherani acrescenta." Ferramentas mais precisas como as nossas nos permitirão construir estruturas mais complexas com funcionalidade potencialmente maior e melhor desempenho. "
O estudo é intitulado "Transferido via contatos como uma plataforma para transistores bidimensionais ideais."
