Montagem atomicamente precisa de materiais 2D abre caminho para eletrônicos de próxima geração
Transferência escalonável de estampagem laminada. (uma ) Captação de TMD do substrato de crescimento. O contato parcial é claramente visível devido ao ângulo de inclinação finito entre as duas superfícies. (b ) Metalizado, PDMS suportado SiNx membrana durante a captação de um WS2 monocamada de seu SiO2 substrato de crescimento. A área de contato pode ser facilmente observada pela mudança no contraste óptico. (c ) A camada superior do WS2 da região mostrada no painel (b) após transferência para WS de poucas camadas2 conforme cultivado em SiO2 . Em (b) e (c), as linhas foram riscadas mecanicamente em ambas as superfícies e o contraste bruto da imagem foi aumentado artificialmente para auxiliar na visualização. As imperfeições observadas são devidas a diferenças no número de camadas, pontos altos e poeira tanto no WS original quanto no alvo2 camadas. (d-e ) Demonstração de SiNx quadrado de 60 mm membrana (d ) conforme fabricado e (e ) após a transferência para filme PDMS com suporte de vidro para transferência potencial de materiais CVD em escala wafer de 2". Crédito:Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01075-y Pesquisadores da Universidade de Manchester fizeram um avanço na transferência de cristais 2D, abrindo caminho para sua comercialização em eletrônicos de próxima geração. Esta técnica, detalhada em um recente artigo da Nature Electronics artigo, utiliza um carimbo totalmente inorgânico para criar as pilhas de materiais 2D mais limpas e uniformes até o momento.
A equipe, liderada pelo professor Roman Gorbachev do Instituto Nacional de Grafeno, empregou o selo inorgânico para "escolher e colocar" com precisão cristais 2D em heteroestruturas de van der Waals de até oito camadas individuais em um ambiente de ultra-alto vácuo. Este avanço resultou em interfaces atomicamente limpas em áreas extensas, um salto significativo em comparação com as técnicas existentes e um passo crucial para a comercialização de dispositivos eletrônicos baseados em materiais 2D.
Além disso, a rigidez do novo design do selo minimizou efetivamente a falta de homogeneidade de deformação nas pilhas montadas. A equipe observou uma diminuição notável na variação local – em uma ordem de magnitude – em interfaces “torcidas”, quando comparadas aos atuais conjuntos de última geração.
O empilhamento preciso de materiais 2D individuais em sequências definidas tem o potencial de projetar cristais projetados em nível atômico, com novas propriedades híbridas. Embora numerosas técnicas tenham sido desenvolvidas para transferir camadas individuais, quase todas dependem de membranas de polímeros orgânicos ou selos para suporte mecânico durante a transição dos seus substratos originais para os substratos alvo. Infelizmente, esta dependência de materiais orgânicos introduz inevitavelmente a contaminação da superfície do material 2D, mesmo em ambientes de salas limpas meticulosamente controlados. Estampagem de flocos em pilhas Em muitos casos, os contaminantes superficiais presos entre as camadas de material 2D segregarão espontaneamente em bolhas isoladas separadas por áreas atomicamente limpas. “Essa segregação nos permitiu explorar as propriedades únicas de pilhas atomicamente perfeitas”, explicou o professor Gorbachev. "No entanto, as áreas limpas entre as bolhas contaminantes são geralmente confinadas a dezenas de micrômetros para pilhas simples, com áreas ainda menores para estruturas mais complexas que envolvem camadas e interfaces adicionais."
Ele elaborou ainda:"Essa contaminação onipresente induzida por transferência, juntamente com a tensão variável introduzida durante o processo de transferência, tem sido o principal obstáculo que impede o desenvolvimento de componentes eletrônicos industrialmente viáveis baseados em materiais 2D."
O suporte polimérico utilizado nas técnicas convencionais atua tanto como fonte de contaminação em nanoescala quanto como um impedimento aos esforços para eliminar contaminantes pré-existentes e ambientais. Por exemplo, a contaminação adsorvida torna-se mais móvel a altas temperaturas e pode ser totalmente dessorvida, mas os polímeros normalmente não conseguem suportar temperaturas acima de algumas centenas de graus. Além disso, os polímeros são incompatíveis com muitos agentes de limpeza líquidos e tendem a liberar gases sob condições de vácuo.
"Para superar essas limitações, desenvolvemos um carimbo híbrido alternativo, compreendendo uma membrana flexível de nitreto de silício para suporte mecânico e uma camada de metal ultrafina como uma 'cola' pegajosa para coletar os cristais 2D", explicou o Dr. Nick Clark, segundo autor do artigo. o estudo.
"Usando a camada de metal, podemos selecionar cuidadosamente um único material 2D e, em seguida, 'estampar' sequencialmente sua superfície inferior atomicamente plana em cristais adicionais. As forças de van der Waals nesta interface perfeita causam aderência desses cristais, permitindo-nos construir sem falhas pilhas de até oito camadas."
Depois de demonstrar com sucesso a técnica usando flocos microscópicos esfoliados mecanicamente de cristais usando o método de "fita adesiva", a equipe ampliou o processo de transferência ultralimpo para lidar com materiais cultivados a partir da fase gasosa em tamanhos maiores, alcançando uma transferência limpa de áreas em escala mm. A capacidade de trabalhar com esses materiais 2D “desenvolvidos” é crucial para sua escalabilidade e aplicações potenciais em dispositivos eletrônicos de próxima geração.
Mais informações: Wendong Wang et al, Montagem limpa de heteroestruturas de van der Waals usando membranas de nitreto de silício, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01075-y Informações do diário: Eletrônica da Natureza
