Materiais bidimensionais, com apenas alguns átomos de espessura, podem exibir algumas propriedades incríveis, como a capacidade de transportar carga elétrica de forma extremamente eficiente, o que poderia aumentar o desempenho dos dispositivos eletrônicos da próxima geração.



No entanto, a integração de materiais 2D em dispositivos e sistemas como chips de computador é notoriamente difícil. Estas estruturas ultrafinas podem ser danificadas por técnicas convencionais de fabricação, que muitas vezes dependem do uso de produtos químicos, altas temperaturas ou processos destrutivos como a corrosão.

Para superar este desafio, pesquisadores do MIT e de outros lugares desenvolveram uma nova técnica para integrar materiais 2D em dispositivos em uma única etapa, mantendo as superfícies dos materiais e as interfaces resultantes imaculadas e livres de defeitos.

Seu método depende de forças superficiais de engenharia disponíveis em nanoescala para permitir que o material 2D seja fisicamente empilhado em outras camadas de dispositivos pré-construídos. Como o material 2D permanece intacto, os pesquisadores podem aproveitar ao máximo suas propriedades ópticas e elétricas exclusivas.

Eles usaram essa abordagem para fabricar matrizes de transistores 2D que alcançaram novas funcionalidades em comparação com dispositivos produzidos usando técnicas convencionais de fabricação. Seu método, que é versátil o suficiente para ser usado com muitos materiais, pode ter diversas aplicações em computação de alto desempenho, detecção e eletrônica flexível.

O núcleo para desbloquear essas novas funcionalidades é a capacidade de formar interfaces limpas, mantidas unidas por forças especiais que existem entre toda a matéria, chamadas forças de van der Waals.

No entanto, essa integração van der Waals de materiais em dispositivos totalmente funcionais nem sempre é fácil, diz Farnaz Niroui, professor assistente de engenharia elétrica e ciência da computação (EECS), membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE) e autor sênior de um novo artigo descrevendo o trabalho.

“A integração de Van der Waals tem um limite fundamental”, explica ela. "Como essas forças dependem das propriedades intrínsecas dos materiais, elas não podem ser facilmente ajustadas. Como resultado, existem alguns materiais que não podem ser diretamente integrados entre si usando apenas suas interações de van der Waals. Desenvolvemos uma plataforma para abordar este limite para ajudar a tornar a integração de van der Waals mais versátil, para promover o desenvolvimento de dispositivos baseados em materiais 2D com funcionalidades novas e melhoradas."

A pesquisa será publicada na Nature Electronics .

Atração vantajosa

Criar sistemas complexos, como um chip de computador, com técnicas convencionais de fabricação pode ser complicado. Normalmente, um material rígido como o silício é cinzelado em nanoescala e depois conectado a outros componentes, como eletrodos metálicos e camadas isolantes, para formar um dispositivo ativo. Esse processamento pode causar danos aos materiais.

Recentemente, os pesquisadores têm se concentrado na construção de dispositivos e sistemas de baixo para cima, usando materiais 2D e um processo que requer empilhamento físico sequencial. Nesta abordagem, em vez de usar colas químicas ou altas temperaturas para unir um material 2D frágil a uma superfície convencional como o silício, os pesquisadores aproveitam as forças de van der Waals para integrar fisicamente uma camada de material 2D em um dispositivo.

As forças de Van der Waals são forças naturais de atração que existem entre toda a matéria. Por exemplo, os pés de uma lagartixa podem aderir temporariamente à parede devido às forças de van der Waals.

Embora todos os materiais exibam uma interação de van der Waals, dependendo do material, as forças nem sempre são fortes o suficiente para mantê-los unidos. Por exemplo, um material semicondutor 2D popular conhecido como dissulfeto de molibdênio adere ao ouro, um metal, mas não se transfere diretamente para isolantes como o dióxido de silício apenas ao entrar em contato físico com essa superfície.

No entanto, heteroestruturas feitas pela integração de camadas semicondutoras e isolantes são os principais blocos de construção de um dispositivo eletrônico. Anteriormente, essa integração era possibilitada pela ligação do material 2D a uma camada intermediária como o ouro e, em seguida, pelo uso dessa camada intermediária para transferir o material 2D para o isolador antes de remover a camada intermediária usando produtos químicos ou altas temperaturas.

Em vez de usar esta camada sacrificial, os pesquisadores do MIT incorporaram o isolador de baixa adesão em uma matriz de alta adesão. Essa matriz adesiva é o que faz o material 2D aderir à superfície incorporada de baixa adesão, fornecendo as forças necessárias para criar uma interface van der Waals entre o material 2D e o isolador.

Fazendo a matriz

Para fabricar dispositivos eletrônicos, eles formam uma superfície híbrida de metais e isolantes em um substrato transportador. Esta superfície é então removida e virada para revelar uma superfície superior completamente lisa que contém os blocos de construção do dispositivo desejado.

Essa suavidade é importante, pois as lacunas entre a superfície e o material 2D podem dificultar as interações de van der Waals. Em seguida, os pesquisadores preparam o material 2D separadamente em um ambiente completamente limpo e o colocam em contato direto com a pilha de dispositivos preparada.

"Uma vez que a superfície híbrida entra em contato com a camada 2D, sem a necessidade de altas temperaturas, solventes ou camadas de sacrifício, ela pode pegar a camada 2D e integrá-la à superfície. Dessa forma, estamos permitindo um van der Waals integração que seria tradicionalmente proibida, mas agora é possível e permite a formação de dispositivos totalmente funcionais em uma única etapa”, explica Satterthwaite.

Esse processo de etapa única mantém a interface do material 2D completamente limpa, o que permite que o material atinja seus limites fundamentais de desempenho sem ser retido por defeitos ou contaminação.

E como as superfícies também permanecem intactas, os pesquisadores podem projetar a superfície do material 2D para formar características ou conexões com outros componentes. Por exemplo, eles usaram essa técnica para criar transistores do tipo p, que geralmente são difíceis de fabricar com materiais 2D. Seus transistores melhoraram em relação a estudos anteriores e podem fornecer uma plataforma para estudar e alcançar o desempenho necessário para a eletrônica prática.

Sua abordagem pode ser feita em escala para criar conjuntos maiores de dispositivos. A técnica da matriz adesiva também pode ser utilizada com diversos materiais e até com outras forças para aumentar a versatilidade desta plataforma. Por exemplo, os pesquisadores integraram o grafeno em um dispositivo, formando as desejadas interfaces de van der Waals usando uma matriz feita com um polímero. Neste caso, a adesão depende de interações químicas e não apenas de forças de van der Waals.

No futuro, os pesquisadores querem aproveitar esta plataforma para permitir a integração de uma biblioteca diversificada de materiais 2D para estudar suas propriedades intrínsecas sem a influência de danos de processamento e desenvolver novas plataformas de dispositivos que aproveitem essas funcionalidades superiores.

Mais informações: Farnaz Niroui et al, Integração de Van der Waals além dos limites das forças de van der Waals usando transferência de matriz adesiva, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01079-8
Informações do diário: Eletrônica da Natureza

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.