Znanstveniki z univerze Rice so naredili pomemben korak k oblikovanju dvodimenzionalne elektronike s procesom za izdelavo vzorcev plasti debeline atoma, ki bi združevala prevodnik in izolator. Materiala, ki sta v igri (grafen in H-BN, hexagonalni borov nitrid) – sta združena v lističih in sestavljena v različne vzorce z dimenzijami v območju nanometra.
Slika, ki je bila narejena z elektronskim mikroskopom, prikazuje oster prehod med šestkotnim področjem borovega nitrida v zgornjem levem kotu in grafena v spodnjem desnem kotu v 2-D hibridnem materialu, ki so ga izdelali na univerzi Rice. Oak Ridge National Laboratories / Univerza Rice.
Univerza Rice je tehniko spajanja enako strukturiranih materialov predstavila že pred skoraj tremi leti. Od takrat je ta ideja vzbujala veliko pozornost raziskovalcev, ki jih zanima možnosti gradnje 2-D vezij na nivoju atoma-plastna vezja, je v pogovoru povedal Pulickel Ajayan znanstvenik za raziskavo materialov pri Rice. Je eden od avtorjev novega dela, ki se pojavilo v Nature Nanotechnology. Zlasti Ajayan opozarja, da so znanstveniki s Cornell University poročali o tem že konec lanskega leta, namreč o umetnosti izdelave heterostrukture na nivoju atomske plasti z načinom zaporedne rasti.
Prispevek, ki ga Rice ponuja proizvajalcem omogoča možnost krčenja velikosti elektronskih naprav in vgradnjo v še manjša ohišja. Sicer so tehnične zmožnosti na univerzi Rice omejene na približno 100 nanometrov, vendar so edini realne omejitve določene pravzaprav s sodobnimi tehnikami litografije, trdijo raziskovalci. (nanometer je ena milijardinka metra).
„ Lahko bi bilo mogoče izdelati popolnoma funkcionalne naprave z vezji, ki so široka le 30, včasih celo le 20 nanometrov in so dvo-dimenzionalna,“ je dejal Rice-ov raziskovalec Jun Lou, soavtor novega materiala. »S tem bi bilo mogoče izdelati celotna vezja oziroma naprave približno enake velikosti, kot smo jih vajeni pri običajni izdelavi polprevodnikov,« je dejal.
Grafen je bil od njegovega odkritja v zadnjem desetletju obravnavan kot čudežni material. Tudi pri debelini enega atoma je šestkotna mreža ogljikovih atomov dokazala svoj potencial, saj jo je mogoče uporabiti kot osnovni material za elektroniko. Toda če želimo dobiti delujočo napravo, vodniki sami niso dovolj. Elektronika na osnovi grafena potrebuje podobne 2-D združljive materiale za ostale sestavne del, in raziskovalci so ugotovili, da šesterokotni borov nitrid (H-BN) lepo deluje kot izolator.
H-BN je na pogled enak grafenu in ima enako žično atomsko mrežo. Prejšnje raziskave na univerzi Rice so pokazale, da združevanje grafena in H-BN s kemičnim naparjevanjem (CVD) tvori dvojne površine, ki nudijo določeno stopnjo nadzora lastnosti elektronskega materiala. Ajayan je takrat dejal, da se jim je s tem ponudilo „veliko igrišče za znanstvenike, ki delajo na področju novih materialov.“
Od takrat je že ugotovil, da se je obseg dvodimenzionalnih materialov, ki celo prekašajo grafen, znatno povečal in bo v bližnji prihodnosti vsekakor eden od ključnih materialov.“
Njegova napoved je že obrodila sadove v novem postopku, pri katerem v fine vzorce oblikovan grafen šivajo v vrzeli, ki nastajajo v listih H-BN. Glavnike, palice, koncentrične obroče in celo mikroskopske sove so v Rice izdelali z litografskim postopkom. Povezave med elementi, ki se jasno vidijo na slikah, ki so jih posneli z elektronskim mikroskopom v Oak Ridge National Laboratory, kaže oster prehod med grafenom in H-BN.
„To ni le preprosta prevleka,“ je dejal Lou. „Gre za zelo natančno inženirstvo. Nadzorujemo lahko že velikost in obliko domen, kar je oboje nujna osnova elektronskih naprav. „
Nova tehnika se je prav tako začela s CVD. Vodilni avtor Zheng Liu, znanstvenik raziskovalec in njegovi kolegi najprej vzamejo list H-BN. Lasersko razrezane foto odporne maske položijo prek H-BN in izpostavljen material izjedkajo z argonom. (usmerjen ionski snop je bil kasneje uporabljen za ustvarjanje še lepših vzorcev, do ločljivosti 100-nanometrov in brez maske.) Potem, ko maske odstranijo, grafen zraste prek CVD v nastalem prostoru, kjer se rob z robom poveže s H-BN. Hibridno plast lahko nato vzamejo in namestijo na kakršnokoli podlago.
Medtem ko je pred njimi še veliko dela glede določanja atomskih vezi, kjer se stikata grafen in H-BN področje in analizirati morebitne nepravilnosti vzdolž meje, so električne meritve gospoda Liu pokazale, da lastnosti komponent ostajajo nespremenjene.
„ Zheng je pokazal še eno pomembno stvar, namreč, da kljub temu, da na materialih izvajamo vse vrste rasti, nato jedkanje, pa ponovno rast, se bistvene lastnosti teh dveh materialov ne spremenijo,“ je dejal Lou. „Izolatorji ostajajo izolatorji in vanje se ogljik ne razteza. In grafen je tudi na pogled videti zelo dobro. To je seveda zelo pomembno, saj želimo biti prepričani, da je to, kar naj bi zraslo, točno tisto, kar želimo. „
Liu je dejal, da je naslednji korak v 2-D strukturo dodati tretji element – polprevodnik. „Zelo se trudimo, da bi v to platformo vgradili tudi polprevodnik,“ je dejal. „Če nam to uspe, bomo lahko zgradili čisto prave integrirane naprave v ravnini. To bi dalo nove možnosti tistim proizvajalcem, ki se že sedaj poigravajo z idejo o fleksibilni elektroniki,« je dodal.
„Prispevek tega dela je prikazati splošen proces,“ še dodaja Lou. „ki je robusten, ponovljiv in je z njim mogoče izdelati materiale z zelo uporabnimi lastnostmi ter dimenzijami, ki so na meji mogočega.“
Nova tehnika na področju 2-D komponent
