A próxima geração de materiais semicondutores 2D não gosta do que vê quando se olha no espelho. As abordagens atuais de síntese para fazer nanofolhas de camada única de material semicondutor para eletrônicos atomicamente finos desenvolvem um defeito peculiar de "espelho duplo" quando o material é depositado em substratos de cristal único como a safira. A nanofolha sintetizada contém contornos de grãos que atuam como um espelho, com o arranjo dos átomos de cada lado organizados em oposição refletida um ao outro.



Isso é um problema, de acordo com pesquisadores da Plataforma de Inovação de Materiais do Consórcio de Cristal Bidimensional da Penn State (2DCC-MIP) e seus colaboradores. Os elétrons se espalham quando atingem o limite, reduzindo o desempenho de dispositivos como transistores. Este é um gargalo, disseram os pesquisadores, para o avanço da eletrônica de próxima geração para aplicações como Internet das Coisas e inteligência artificial. Mas agora, a equipe de pesquisa pode ter encontrado uma solução para corrigir esse defeito. Eles publicaram seu trabalho na Nature Nanotechnology .

Este estudo pode ter um impacto significativo na pesquisa de semicondutores, permitindo que outros pesquisadores reduzam os defeitos dos gêmeos espelhados, de acordo com a autora principal Joan Redwing, diretora do 2DCC-MIP, especialmente porque o campo tem aumentado a atenção e o financiamento do CHIPS e da Lei da Ciência aprovada pela última vez. ano. A autorização da legislação aumentou o financiamento e outros recursos para impulsionar os esforços da América para onshore a produção e desenvolvimento de tecnologia de semicondutores.

Uma folha de disseleneto de tungstênio de camada única – com apenas três átomos de espessura – seria um semicondutor altamente eficaz e atomicamente fino para controlar e manipular o fluxo de corrente elétrica, de acordo com Redwing. Para fazer a nanofolha, os pesquisadores usam a deposição de vapor químico orgânico metálico (MOCVD), uma tecnologia de fabricação de semicondutores usada para depositar camadas ultrafinas de cristal único em um substrato, neste caso um wafer de safira.

Embora o MOCVD seja usado na síntese de outros materiais, os pesquisadores do 2DCC-MIP foram pioneiros em seu uso para a síntese de semicondutores 2D, como o disseleneto de tungstênio, disse Redwing. O disseleneto de tungstênio pertence a uma classe de materiais chamados dichalcogenetos de metais de transição, com três átomos de espessura, com o metal de tungstênio imprensado entre átomos de seleneto não metálico, que manifesta propriedades semicondutoras desejáveis ​​para eletrônica avançada.

"Para obter folhas de camada única com um alto grau de perfeição cristalina, usamos wafers de safira como modelo para alinhar os cristais de disseleneto de tungstênio à medida que eles são depositados pelo MOCVD na superfície do wafer", disse Redwing, que também é um ilustre professor de materiais. ciência e engenharia e de engenharia elétrica na Penn State. "No entanto, os cristais de disseleneto de tungstênio podem se alinhar em direções opostas no substrato de safira. À medida que os cristais orientados de forma oposta crescem em tamanho, eles finalmente se encontram na superfície da safira para formar o limite gêmeo do espelho."

Para resolver esse problema e fazer com que a maioria dos cristais de disseleneto de tungstênio se alinhassem com os cristais de safira, os pesquisadores aproveitaram “degraus” na superfície da safira. O único cristal de safira que compõe o wafer é altamente perfeito em termos físicos; entretanto, não é perfeitamente plano no nível atômico. Existem degraus na superfície que têm apenas um ou dois átomos de altura, com áreas planas entre cada degrau.

Aqui, disse Redwing, os pesquisadores encontraram a origem suspeita do defeito do espelho.

O degrau na superfície do cristal de safira é onde os cristais de disseleneto de tungstênio tendem a se fixar, mas nem sempre. O alinhamento do cristal quando preso aos degraus tendia a ser em uma única direção.

"Se todos os cristais puderem ser alinhados na mesma direção, os defeitos espelhados na camada serão reduzidos ou mesmo eliminados", disse Redwing.

Os pesquisadores descobriram que, controlando as condições do processo MOCVD, a maioria dos cristais poderia ser fixada na safira nas etapas. E durante os experimentos, eles fizeram uma descoberta bônus:se os cristais se fixam no topo do degrau, eles se alinham em uma direção cristalográfica; se forem fixados na parte inferior, eles se alinham na direção oposta.

"Descobrimos que era possível fazer com que a maioria dos cristais se fixasse na borda superior ou inferior dos degraus", disse Redwing, creditando o trabalho experimental realizado por Haoyue Zhu, pesquisador de pós-doutorado, e Tanushree Choudhury, professor assistente de pesquisa. , em 2DCC-MIP. "Isso forneceria uma maneira de reduzir significativamente o número de limites de espelhos gêmeos nas camadas."

Nadire Nayir, uma bolsista de pós-doutorado orientada pelo distinto professor universitário Adri van Duin, liderou pesquisadores da instalação de Teoria/Simulação 2DCC-MIP para desenvolver um modelo teórico da estrutura atômica da superfície da safira para explicar por que o disseleneto de tungstênio ligado à parte superior ou inferior borda dos degraus. Eles teorizaram que se a superfície da safira fosse coberta com átomos de selênio, então eles se fixariam na borda inferior dos degraus; se a safira estiver apenas parcialmente coberta, de modo que a borda inferior do degrau não tenha átomo de selênio, os cristais ficarão presos na parte superior.

Para confirmar esta teoria, os pesquisadores do Penn State 2DCC-MIP trabalharam com Krystal York, uma estudante de pós-graduação do grupo de pesquisa de Steven Durbin, professor de engenharia elétrica e de computação na Western Michigan University. Ela contribuiu para o estudo como parte do Programa de Visitantes Acadêmicos Residentes 2DCC-MIP. York aprendeu como cultivar filmes finos de disseleneto de tungstênio via MOCVD enquanto usava instalações 2DCC-MIP para sua pesquisa de tese de doutorado. Seus experimentos ajudaram a confirmar que o método funcionava.

"Ao realizar esses experimentos, Krystal observou que a direção dos domínios de disseleneto de tungstênio na safira mudou quando ela variou a pressão no reator MOCVD", disse Redwing. "Esta observação experimental forneceu a verificação do modelo teórico que foi desenvolvido para explicar a localização de fixação dos cristais de disseleneto de tungstênio nos degraus da pastilha de safira."

Amostras de disseleneto de tungstênio em escala de wafer em safira produzidas usando este novo processo MOCVD estão disponíveis para pesquisadores fora da Penn State por meio do programa de usuário 2DCC-MIP.

“Aplicações como inteligência artificial e Internet das Coisas exigirão mais melhorias de desempenho, bem como formas de reduzir o consumo de energia dos eletrônicos”, disse Redwing. "Semicondutores 2D de alta qualidade baseados em disseleneto de tungstênio e materiais relacionados são materiais importantes que desempenharão um papel na eletrônica da próxima geração."

Mais informações: Haoyue Zhu et al, Engenharia passo a passo para nucleação e controle de orientação de domínio em epitaxia WSe2 em safira de plano C, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01456-6
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza

Fornecido pela Universidade Estadual da Pensilvânia