Os transistores são os blocos de construção da eletrônica moderna, usados ​​em tudo, desde televisores a laptops. Assim como os transistores ficaram menores e mais compactos, os eletrônicos também ficaram, e é por isso que seu celular é um computador superpoderoso que cabe na palma da sua mão.
Mas há um problema de escala:os transistores agora são tão pequenos que são difíceis de desligar. Um elemento-chave do dispositivo é o canal que os portadores de carga (como elétrons) viajam entre os eletrodos. Se esse canal ficar muito curto, os efeitos quânticos permitem que os elétrons saltem efetivamente de um lado para outro, mesmo quando não deveriam.

Uma maneira de superar esse obstáculo de dimensionamento é usar camadas de materiais 2D - que têm apenas um único átomo de espessura - como canal. Canais atomicamente finos podem ajudar a habilitar transistores ainda menores, tornando mais difícil para os elétrons saltarem entre os eletrodos. Um exemplo bem conhecido de material 2D é o grafeno, cujos descobridores ganharam o Prêmio Nobel de Física em 2010. Mas existem outros materiais 2D, e muitos acreditam que são o futuro dos transistores, com a promessa de reduzir a espessura do canal limite 3D atual de alguns nanômetros (nm, bilionésimos de metro) para menos de um único nanômetro de espessura.

Embora a pesquisa tenha explodido nessa área, uma questão tem sido persistentemente ignorada, de acordo com uma equipe de cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), Universidade Purdue, Universidade Duke e Universidade Estadual da Carolina do Norte. Os materiais 2D e suas interfaces – que os pesquisadores pretendem que sejam planos quando empilhados uns sobre os outros – podem, na verdade, não ser planos. Essa não planicidade, por sua vez, pode afetar significativamente o desempenho do dispositivo, às vezes de maneira positiva e às vezes de maneira ruim.

Em um novo estudo publicado na edição de 26 de abril de 2022 da ACS Nano , a equipe de pesquisa relata os resultados de suas medições da planicidade dessas interfaces em dispositivos de transistor que incorporam materiais 2D. Eles são o primeiro grupo a obter imagens de microscopia de alta resolução mostrando a planicidade dessas camadas 2D em matrizes de dispositivos completas, em uma escala relativamente grande - cerca de 12 micrômetros (milionésimos de metro) em oposição aos mais comuns 10 nm a 100- intervalo de nm.

Os cientistas criaram imagens com sucesso de uma série de interfaces 2D-2D e 2D-3D em dispositivos que criaram usando uma variedade de métodos comuns de fabricação. Seus resultados mostram que supor que as interfaces são planas quando não são é um problema muito maior do que os pesquisadores da área podem ter percebido.

"Estamos esclarecendo a comunidade para um problema que foi esquecido", disse Curt Richter do NIST. "Está impedindo a adoção dos novos materiais. O primeiro passo para resolver o problema é saber que você tem um problema."

Os benefícios potenciais incluem dar à comunidade científica mais controle sobre a fabricação de seus dispositivos.

“A falta de compreensão sobre a planicidade da interface 2D é um grande obstáculo para melhorar os dispositivos baseados em materiais 2D”, disse o principal autor Zhihui Cheng, do NIST e da Purdue University no momento da publicação. "Nós lançamos um método para quantificar a planicidade para a resolução angstrom. Isso abre muitas janelas para as pessoas explorarem a tensão e as interações nas interfaces 2D."

Não é tão plano quanto você pensa

Em um transistor tradicional, um eletrodo de fonte 3D libera elétrons através de um canal 3D para um eletrodo de drenagem 3D. Nos transistores 2D, os elétrons viajam através de um material 2D. As áreas onde esses diferentes materiais se encontram são chamadas de interfaces.

A falta de planicidade nessas interfaces pode causar problemas com o fluxo de corrente em dispositivos que usam materiais 2D. Por exemplo, se houver contato físico íntimo entre o metal de origem e o canal 2D, também haverá contato elétrico íntimo e a corrente fluirá suavemente. Por outro lado, lacunas entre o material do canal 2D e a fonte comprometem o contato elétrico, o que reduz o fluxo de corrente.

Em seu artigo, os pesquisadores exploram vários tipos diferentes de interfaces 2D, incluindo aquelas feitas entre a fonte de níquel e eletrodos de drenagem, um canal 2D feito de dissulfeto de molibdênio cristal 2D (MoS₂ ), uma camada de encapsulamento do cristal de nitreto de boro hexagonal (hBN) e óxido de alumínio.

Os cientistas normalmente colocam os materiais 2D e 3D um sobre o outro durante o processo de fabricação do dispositivo. Por exemplo, os pesquisadores às vezes empilham materiais 2D em contatos de metal pré-padronizados. Mas a equipe de pesquisa descobriu que esse tipo de empilhamento de materiais 2D teve um efeito profundo em sua planicidade, principalmente perto da região de contato. A adição de hBN causou o MoS₂ deformar até 10 nm em um lado do contato. As áreas mais distantes dos contatos tendiam a ser relativamente planas, embora algumas dessas áreas ainda tivessem uma lacuna de 2 a 3 nm.

Ao testar os efeitos da deposição de camada atômica (uma técnica comum usada para estabelecer uma fina camada de material) na planicidade da interface 2D, a equipe de pesquisa descobriu que uma interface direta entre óxido de alumínio e MoS₂ é mais deformado que as interfaces entre hBN e MoS₂ . Ao investigar a planicidade da interface de contato 3D-2D, a equipe encontrou nanocavidades surpreendentemente grandes se formando na interface entre os contatos de níquel e o MoS 2D₂ canal.

Para conectar essas interfaces não planas de volta às preocupações do mundo real sobre o desempenho do dispositivo, a equipe testou as características elétricas de um transistor feito desses materiais. Os pesquisadores descobriram que a não planicidade adicionada no canal teve o efeito de realmente melhorar o desempenho do dispositivo.

"No geral, esses resultados revelam o quanto a estrutura das interfaces 2D-2D e 2D-3D depende dos materiais e do processo de fabricação", disse Cheng.

Para fazer suas observações, o grupo utilizou um tipo de microscopia eletrônica de transmissão de varredura de alta resolução (varredura TEM), capaz de resolver as imagens ao nível de átomos únicos.

"Muito deste campo é pura pesquisa", disse Richter. "As pessoas vão fazer um dispositivo ou talvez dois, e eles não têm extras que possam dar a um microscopista para desmontar." Neste estudo, por outro lado, o objetivo era fazer os dispositivos e depois analisá-los.

"Não fizemos nada super especial com as medições", continuou Richter. "Mas a combinação do know-how de medição elétrica e a experiência em TEM de alta resolução - isso não é uma coisa comum."

“Com a resolução sub-angstrom e o comprimento do registro em TEM de seção transversal, além da correlação com as características do dispositivo, nosso trabalho expandiu e aprofundou os pontos de vista sobre a complexidade e complexidade das interfaces 2D”, disse Cheng.

Com benefícios para todos

As aplicações do trabalho incluem a redução da variação não intencional de dispositivo para dispositivo, da qual a planicidade 2D é um fator contribuinte significativo, disseram os pesquisadores.

O método de imagem também pode ajudar a dar aos cientistas mais controle sobre a fabricação. Certos processos introduzem tensão mecânica nas estruturas 2D, torcendo-as como um pano torcido ou esmagando-as e esticando-as como um acordeão. Isso pode alterar o desempenho de um dispositivo de maneiras imprevisíveis que os cientistas ainda não entendem completamente. Uma melhor compreensão de como a tensão afeta o desempenho do dispositivo pode dar aos pesquisadores mais controle sobre esse desempenho.

"A tensão nem sempre é uma coisa ruim", disse Richter. "Os transistores de última geração que as pessoas fazem hoje na verdade têm tensão interna para fazê-los funcionar melhor. Com os materiais 2D, não é tão óbvio como fazer isso, mas pode ser possível usar a não planicidade para criar a tensão que você deseja ."

Os autores esperam que seu trabalho inspire novos esforços para aumentar a resolução de medições de planicidade para interfaces 2D, mesmo para resolução sub-angstrom.

"Temos alguns dados preliminares, mas é realmente apenas o começo desta investigação", disse Cheng. + Explorar mais

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