Painéis solares, câmeras, biossensores e fibra ótica são tecnologias que contam com fotodetectores, ou sensores que convertem luz em eletricidade. Os fotodetectores estão se tornando mais eficientes e acessíveis, com seus chips componentes semicondutores diminuindo de tamanho. No entanto, essa miniaturização está indo contra os limites estabelecidos pelos materiais e métodos de fabricação atuais, forçando compensações entre tamanho e desempenho.
Existem muitas limitações do processo tradicional de fabricação de chips semicondutores. Os chips são criados pelo crescimento do filme semicondutor sobre o topo de um wafer de forma que a estrutura cristalina do filme esteja alinhada com a do wafer substrato. Isso dificulta a transferência do filme para outros materiais de substrato, reduzindo sua aplicabilidade.

Além disso, o método atual de transferência e empilhamento desses filmes é feito por esfoliação mecânica, processo em que um pedaço de fita retira o filme semicondutor e o transfere para um novo substrato, camada por camada. Este processo resulta em várias camadas não uniformes empilhadas umas sobre as outras com as imperfeições de cada camada acumuladas no todo. Este processo afeta a qualidade do produto, bem como limita a reprodutibilidade e escalabilidade desses chips.

Por último, certos materiais não funcionam bem como camadas extremamente finas. O silício permanece onipresente como o material de escolha para chips semicondutores, no entanto, quanto mais fino ele fica, pior seu desempenho como estrutura fotônica, tornando-o menos do que ideal em fotodetectores. Outros materiais que apresentam melhor desempenho do que o silício como camadas extremamente finas ainda requerem uma certa espessura para interagir com a luz, apresentando o desafio de identificar materiais fotônicos ideais e sua espessura crítica para operar em chips semicondutores fotodetectores.

A fabricação de filmes semicondutores fotônicos uniformes, extremamente finos e de alta qualidade de material diferente do silício tornaria os chips semicondutores mais eficientes, aplicáveis ​​e escaláveis.

Os engenheiros da Penn Deep Jariwala, professor assistente de engenharia elétrica e de sistemas, e Pawan Kumar e Jason Lynch, pós-doutorando e doutorando em seu laboratório, lideraram um estudo publicado na Nature Nanotechnology que pretendia fazer exatamente isso. Eric Stach, professor de Ciência e Engenharia de Materiais, juntamente com seu pós-doutorado Surendra Anantharaman, o estudante de doutorado Huiqin Zhang e o estudante de graduação Francisco Barrera também contribuíram para este trabalho. O estudo colaborativo também incluiu pesquisadores da Penn State, AIXTRON, UCLA, Laboratório de Pesquisa da Força Aérea e Laboratório Nacional de Brookhaven, e foi financiado principalmente pelo Laboratório de Pesquisa do Exército. Seu artigo descreve um novo método de fabricação de superredes atomicamente finas, ou filmes semicondutores, que são altamente emissores de luz.

Materiais de um átomo de espessura geralmente assumem a forma de uma rede, ou uma camada de átomos alinhados geometricamente que formam um padrão específico para cada material. Uma super-rede é composta de treliças de diferentes materiais empilhados uns sobre os outros. As superredes possuem propriedades ópticas, químicas e físicas completamente novas que as tornam adaptáveis ​​para aplicações específicas, como foto óptica e outros sensores.

A equipe da Penn Engineering fez uma super-rede, com cinco átomos de espessura, de tungstênio e enxofre (WS2).

“Após dois anos de pesquisa usando simulações que nos informaram como a super-rede interagiria com o ambiente, estávamos prontos para construir experimentalmente a super-rede”, diz Kumar. "Because traditional superlattices are grown on a desired substrate directly, they tend to be millions of atoms thick, and difficult to transfer to other material substrates. We collaborated with industry partners to ensure that our atomically thin superlattices were grown to be scalable and applicable to many different materials."

They grew monolayers of atoms, or lattices, on a two-inch wafer and then dissolved the substrate, which allows the lattice to be transferred to any desired material, in their case, sapphire. Additionally, their lattice was created with repeating units of atoms aligned in one direction to make the superlattice two-dimensional, compact and efficient.

"Our design is scalable as well," says Lynch. "We were able to create a superlattice with a surface area measured in centimeters with our method, which is a major improvement compared to the micron scale of silicon superlattices currently being produced. This scalability is possible due to uniform thickness in our superlattices, which makes the manufacturing process simple and repeatable. Scalability is important to be able to place our superlattices on the industry-standard, four-inch chips."

Their superlattice design is not only extremely thin, making it lightweight and cost effective, it can also emit light, not just detect it.

"We are using a new type of structure in our superlattices that involves exciton-polaritons, which are quasi-state particles made of half matter and half light," says Lynch. "Light is very hard to control, but we can control matter, and we found that by manipulating the shape of the superlattice, we could indirectly control light emitted from it. This means our superlattice can be a light source. This technology has the potential to significantly improve lidar systems in self-driving cars, facial recognition and computer vision."

Being able to both emit and detect light with the same material opens the door for more complicated applications.

"One current technology that I can see our superlattice being used for is in integrated photonic computer chips which are powered by light," says Lynch. "Light moves faster than electrons, so a chip powered by light will increase computing speed, making the process more efficient, but the challenge has been finding a light source that can power the chip. Our superlattice may be a solution there."

Applications for this new technology are diverse and will likely include high-tech robotics, rockets and lasers. Because of the wide range of applications for these superlattices, the scalability is very important.

"Our superlattices are made with a general, non-sophisticated process that does not require multiple steps in a clean room, allowing the process to be repeated easily," says Kumar. "Additionally, the design is applicable to many different types of materials, allowing for adaptability."

"In the tech world, there is a constant evolution of things moving toward the nanoscale," he says. "We will definitely be seeing a thinning down of microchips and the structures that make them, and our work in the two-dimensional material is part of this evolution."

"Of course, as we thin things down and make technology smaller and smaller, we start to interact with quantum mechanics and that's when we see interesting and unexpected phenomena occur," says Lynch. "I am very excited to be a part of a team bringing quantum mechanics into high-impact technology." + Explorar mais

Researchers engineer magnetic complexity into atomically thin magnets