p Passo a passo, os cientistas estão descobrindo novas maneiras de estender a Lei de Moore. O último revela um caminho para circuitos integrados com transistores bidimensionais. p Um cientista da Rice University e seus colaboradores em Taiwan e na China relataram em Natureza hoje que eles desenvolveram com sucesso folhas de nitreto hexagonal de boro (hBN) com a espessura de um átomo na forma de cristais de duas polegadas de diâmetro através de uma bolacha.

p Surpreendentemente, eles alcançaram o tão almejado objetivo de fazer cristais perfeitamente ordenados de hBN, um semicondutor de banda larga, aproveitando a desordem entre as etapas sinuosas em um substrato de cobre. As etapas aleatórias mantêm o hBN alinhado.

p Definido em chips como um dielétrico entre camadas de transistores em nanoescala, O hBN em escala de wafer seria excelente em amortecer o espalhamento e o aprisionamento de elétrons que limitam a eficiência de um circuito integrado. Mas até agora, ninguém foi capaz de fazer cristais de hBN perfeitamente ordenados que são grandes o suficiente - neste caso, em um wafer - para ser útil.

p Boris Yakobson, teórico de materiais da Brown School of Engineering, é co-cientista líder no estudo com Lain-Jong (Lance) Li da Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) e sua equipe. Yakobson e Chih-Piao Chuu, da TSMC, realizaram análises teóricas e cálculos de primeiros princípios para desvendar os mecanismos do que seus co-autores viram nos experimentos.

p Como uma prova de conceito para fabricação, experimentalistas da TSMC e da Universidade Nacional Chiao Tung de Taiwan cresceram duas polegadas, Filme 2-D hBN, transferiu-o para o silício e, em seguida, colocou uma camada de transistores de efeito de campo padronizados em dissulfeto de molibdênio 2-D no topo do hBN.

p "A principal descoberta deste trabalho é que um monocristal através de um wafer pode ser alcançado, e então eles podem movê-lo, "Yakobson disse." Então eles podem fazer dispositivos. "

p "Não existe nenhum método que possa produzir dielétricos de monocamada de hBN com reprodutibilidade extremamente alta em um wafer, que é necessário para a indústria eletrônica, "Li acrescentou." Este artigo revela as razões científicas pelas quais podemos conseguir isso. "

p Yakobson espera que a técnica também se aplique amplamente a outros materiais 2-D, com alguma tentativa e erro. "Acho que a física subjacente é bastante geral, "disse ele." O nitreto de boro é um material importante para os dielétricos, mas muitos materiais 2-D desejáveis, como os 50 ou mais dichalcogenetos de metais de transição, têm os mesmos problemas com crescimento e transferência, e pode se beneficiar do que descobrimos. "

p Em 1965, Gordon Moore, da Intel, previu que o número de transistores em um circuito integrado dobraria a cada dois anos. Mas, à medida que as arquiteturas de circuito integrado ficam menores, com linhas de circuito abaixo de alguns nanômetros, o ritmo do progresso tem sido difícil de manter.

p A capacidade de empilhar camadas 2-D, cada um com milhões de transistores, podem superar essas limitações se puderem ser isoladas umas das outras. O isolamento de hBN é o principal candidato para esse propósito por causa de sua ampla lacuna de banda.

p Apesar de ter "hexagonal" em seu nome, monocamadas de hBN, vistas de cima, aparecem como uma superposição de duas redes triangulares distintas de átomos de boro e nitrogênio. Para que o material atinja as especificações, Os cristais de hBN devem ser perfeitos; isso é, os triângulos devem ser conectados e todos apontar na mesma direção. Cristais não perfeitos têm limites de grão que degradam as propriedades eletrônicas do material.

p Para que o hBN se torne perfeito, seus átomos têm que se alinhar precisamente com aqueles no substrato abaixo. Os pesquisadores descobriram que o cobre em um arranjo (111) - o número se refere a como a superfície do cristal é orientada - faz o trabalho, mas somente depois que o cobre é recozido em alta temperatura em um substrato de safira e na presença de hidrogênio.

p O recozimento elimina os limites do grão no cobre, deixando um único cristal. Uma superfície tão perfeita, Contudo, ser "muito suave" para impor a orientação hBN, Yakobson disse.

p Yakobson relatou uma pesquisa no ano passado para cultivar borofeno puro na prata (111), e também uma previsão teórica de que o cobre pode alinhar hBN em virtude das etapas complementares em sua superfície. A superfície de cobre era vicinal, isto é, ligeiramente mal cortado para expor etapas atômicas entre os terraços expansivos. Esse artigo chamou a atenção de pesquisadores industriais em Taiwan, que abordou o professor depois de uma palestra lá no ano passado.

p "Eles disseram, 'Nós lemos seu jornal, '", Lembrou Yakobson."' Vemos algo estranho em nossos experimentos. Podemos conversar?' Foi assim que tudo começou. "

p Informado por sua experiência anterior, Yakobson sugeriu que as flutuações térmicas permitem que o cobre (111) retenha terraços semelhantes a degraus em sua superfície, mesmo quando seus próprios limites de grão são eliminados. Os átomos nessas "etapas" sinuosas apresentam apenas as energias interfaciais certas para ligar e restringir hBN, que então cresce em uma direção enquanto se liga ao plano de cobre através da força de van der Waals muito fraca.

p "Cada superfície tem degraus, mas no trabalho anterior, os degraus estavam em uma superfície vicinal fortemente projetada, o que significa que todos eles caem, ou tudo pronto, "disse ele." Mas no cobre (111), as etapas são para cima e para baixo, por apenas um átomo ou dois aleatoriamente, oferecido pela termodinâmica fundamental. "

p Por causa da orientação do cobre, os planos atômicos horizontais são deslocados por uma fração da rede embaixo. "As bordas dos degraus da superfície parecem iguais, mas eles não são exatamente gêmeos-espelho, "Yakobson explicou." Há uma sobreposição maior com a camada abaixo em um lado do que no oposto. "

p Isso torna as energias de ligação em cada lado do platô de cobre diferentes em um minuto 0,23 elétron-volts (por cada quarto de nanômetro de contato), o que é suficiente para forçar os núcleos de hBN de encaixe a crescer na mesma direção, ele disse.

p A equipe experimental descobriu que a espessura ideal do cobre era de 500 nanômetros, o suficiente para evitar sua evaporação durante o crescimento de hBN por meio da deposição de vapor químico de amônia borano em um substrato de cobre (111) / safira.