Een schild voor 2D-materialen dat trillingen toevoegt om trillingsproblemen te verminderen

Onderzoekers van Monash University hebben een nieuwe, contra-intuïtieve manier gedemonstreerd om atomair dunne elektronica te beschermen door trillingen toe te voegen om trillingen te verminderen.

Door een dunne druppel vloeibaar gallium te “knijpen”, worden grafeenapparaten geverfd met een beschermende coating van glas, galliumoxide.

Dit oxide is opmerkelijk dun, minder dan 100 atomen, maar beslaat centimeters brede schalen, waardoor het mogelijk toepasbaar is voor industriële fabricage op grote schaal. Huidige, frontier “2nm” -transistors van IBM gebruiken poorten van vergelijkbare dikte, bijna 10 nm (140 atomen).

“Het mechanisch overbrengen van dergelijke nanosheets met een groot oppervlak is vrij nieuw”, zegt hoofdauteur Matthew Gebert.

Het oxide biedt een nieuwe methode voor apparaatbescherming en verbetert tegelijkertijd de prestaties van het apparaat:

“Het oxide verbetert en beschermt niet alleen onze apparaten wanneer we het voor het eerst overbrengen, maar ook later, tijdens de daaropvolgende verwerking en fabricage”, zegt co-auteur Semonti Bhattacharyya.

De verbeterende prestaties van galliumoxide zijn deels te danken aan de hoge-K diëlektrische eigenschappen van het materiaal, een sleutelcomponent in de lange mars naar miniaturisatie van apparaten en het verminderen van stroomverspilling.

Beschermend galliumoxide levert ook een verrassend resultaat op, het verminderen van de elektrische weerstand in grafeen die wordt veroorzaakt door thermische trillingen als gevolg van warmte in de omringende materialen.

“Dat is verrassend, want in feite voegen we extra trillingen toe om de totale trillingen te verminderen”, zegt Matt.

Dit is de eerste keer dat een dergelijke strategie om de weerstand als gevolg van thermische trillingen te verminderen, is aangetoond in een grafeenapparaat.

Bescherming tegen een schadelijke omgeving

Het Monash-team van het ARC Centre of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) gebruikte een nieuwe vloeistof-metaal printtechniek om galliumoxide (Ga₂O₃) glas. Deze methode is ontworpen door FLEET-medewerkers van RMIT, die het nieuwe glas in verschillende elektronische toepassingen hebben gebruikt.

De glasfilm die zich vormt op het oppervlak van druppeltjes vloeibaar galliummetaal is meer dan 5.000 keer dunner dan een mensenhaar, maar kan op betrouwbare wijze vanaf het oppervlak van het vloeibare metaal worden “geprint” om gelijkmatige doorlopende lagen te vormen over gebieden van een centimeter.

De methode met vloeibaar metaal biedt twee voordelen om apparaten te beschermen. De laagdrukmethode voorkomt aangroeischade, terwijl de overgedragen laag een goede barrière vormt voor verdere verwerking.

Galliumoxide-inkapseling biedt niet alleen bescherming, maar kan ook de prestaties verbeteren vanwege de hoge-K diëlektrische eigenschappen. Hoge-K-diëlektrica zijn niet gemakkelijk te integreren met grafeen, omdat de groei van deze materialen vaak gepaard gaat met het bombarderen van zeer energetische atomen.

Aangezien galliumoxide-inkapseling een mechanische overdrachtstechniek is (“denk aan stapelen met een vorkheftruck”, zegt Matthew Gebert), verschilt het fundamenteel van alternatieve depositiemethoden (zoals atomaire laagafzetting, verdamping, sputteren en dampafzetting) die ongewenste eigenschappen hebben zoals vereisten voor hoge temperaturen.

Omdat galliummetaal vloeibaar is in de buurt van kamertemperatuur (30 graden C), heeft dit proces veel voordelen voor industriële acceptatie. Galliumoxide kan zelfs als bufferlaag worden gebruikt voordat het verder wordt verwerkt met behulp van deze andere methoden.

Het Monash-team toonde aan dat galliumoxide het grafeen beschermde tegen oppervlakteschade door hun grafeenapparaten te testen met industriële groeitools. Het afzetten van een andere oxidelaag beschadigde alleen de onbedekte gebieden van grafeen, terwijl de gebieden die bedekt waren met galliumoxide hun kwaliteiten behielden.

Diëlektrische lagen en hun belang in computers

Elektrisch isolerende (diëlektrische) materialen zijn vooral belangrijk in de functie van transistors, de microscopische “schakelaars” in het hart van elektronica en computers. Deze diëlektrische materialen zorgen ervoor dat een transistor kan worden in- of uitgeschakeld zonder stroom te lekken, waardoor je je telefoon/pc kunt gebruiken.

Om een ​​transistor te “schakelen”, verzamelen elektronen zich over het diëlektrische materiaal om een ​​spanning te creëren en het apparaat te beïnvloeden. Dunnere diëlektrica lekken echter stroom – waardoor het vermogen om te schakelen afneemt – en verspillen stroom als warmte. Diëlektrica met hoge K zijn belangrijk omdat ze de effectiviteit van de schakelaar vergroten, waardoor stroomlekkage en dus energieverspilling worden verminderd.

Zelfs apparaten met een hoge K-diëlektricum zijn echter niet ongevoelig voor afmetingen. Naarmate elektronische materialen kleiner en dunner worden terwijl we meedogenloos marcheren om meer transistors erin te proppen (om de wet van Moore te gehoorzamen), worden materialen sterk beïnvloed door de oppervlakken van naburige materialen, wat vaak resulteert in verminderde prestaties. Dit verklaart waarom grafeen vaak wordt beschadigd door diëlektrica met een hoge K.

Een van deze vernederende verschijnselen die aan oppervlakken optreden, zijn materiaaltrillingen.

Trillingen en het voordeel van galliumoxide

De trillingen van materialen als gevolg van warmte, die elektrische weerstand in materialen veroorzaken, worden fononen genoemd. Deze trillingen (fononen) zorgen ervoor dat de atomen in een vaste stof oscilleren, en stromende elektronen stuiteren op deze oscillaties en veranderen van richting, wat leidt tot elektrische weerstand.

De thermische trillingen van de koolstofatomen in grafeen zelf zorgen voor opvallend weinig weerstand, mede daardoor is grafeen zo’n bruikbaar materiaal voor elektronica.

De dunne aard van grafeen (slechts één atoom dik) betekent echter dat thermische trillingen in omringende (afgelegen) materialen een groot effect kunnen hebben op elektronen in grafeen, en deze zijn de belangrijkste oorzaak van elektrische weerstand in grafeen bij kamertemperatuur.

Naarmate de temperatuur stijgt, worden er meer fononen geëxciteerd, waardoor de weerstand toeneemt door elektronen te verstrooien.

“Je kunt dit scenario zien als een hek”, legt Matt Gebert uit, een Ph.D. kandidaat aan Monash University/FLEET.

“Het hek (het 2D-grafeen) wordt beïnvloed door de acties van buren aan beide kanten (het isolatiemateriaal aan weerszijden van grafeen). Een buurman heeft misschien een schone omgeving aan zijn kant van het hek (een goede isolator, met weinig fononen). ) maar de andere buurman heeft misschien een overwoekerde tuin die de omheining beschadigt (een slechte isolator met sterke fononen) …”

“Dus uiteindelijk dient je afrastering (grafeen) niet het doel waarvoor het bedoeld was, misschien vormt het zelfs geen volledige afrastering (elektronisch circuit) meer.”

Om de beschermende eigenschappen van het galliumoxide te onderzoeken, bracht het team grote gebieden mechanisch over op grafeenapparaten.

Daaropvolgende metingen bevestigden dat de elektronische eigenschappen van grafeen bij verschillende temperaturen en elektronenpopulaties behouden bleven, dwz dat een hoge elektronenmobiliteit (een zeer nuttige eigenschap van een transistor) behouden blijft.

“Verrassend genoeg voegt de toevoeging van de laag Ga₂O₃ glas vermindert de elektrische weerstand in grafeen die het gevolg is van fononverstrooiing”, legt Matt uit. (Dit geldt in een doelbereik van temperaturen, dat iets onder kamertemperatuur ligt.)

“Dit is contra-intuïtief, want door dit materiaal toe te voegen, introduceer je extra fononen. Dus je zou kunnen denken: hoe meer fononen, hoe hoger we verwachten dat de weerstand zal zijn.”

Deze resultaten komen echter wel overeen met bestaande theorieën over fononen in isolatoren. Ga₂O₃ herbergt sterke fononen, maar dankzij dezelfde eigenschap kan het ook zijn eigen atomaire configuratie aanpassen om het elektrische veld van fononen in het siliciumdioxideglas aan de andere kant van grafeen te “afschermen”.

Verder helpen de situatie, de sterke Ga₂O₃ fononen zijn modi die veel energie nodig hebben om te bevolken. Als resultaat, Ga₂O₃ fononen worden pas actief bij hogere temperaturen (met meer thermische energie) en dit resulteert in een lagere algehele weerstand in grafeen tot een temperatuur van -53 graden C (220 K). Galliumoxide neemt (alleen de) goede trillingen op.

Nieuwe wegen naar apparaatprestaties

Deze strategie, om het totale fononengehalte te verminderen, wordt voor het eerst gedemonstreerd en kan worden gebruikt om beter presterende hybride materialen bij kamertemperatuur te identificeren voor 2D-elektronica.

Een soortgelijk diëlektrisch materiaal met fononmodi met hogere energie dan Ga₂O₃ zou goed kunnen samenwerken met bestaande siliciumtechnologieën, die momenteel tot het uiterste worden gedreven.

De liquid-metal printtechniek is een veelzijdige methode voor industriële partners. Het proces voor touch-printen Ga₂O₃ schalen tot grote gebieden op waferschaal, is zeer goed te automatiseren en heeft een goede reproduceerbaarheid getoond, wat aangeeft dat het waardevol is voor de acceptatie door de industrie.

Galliummetaal, dat smelt bij ongeveer 30 ° C, en de overdrachtsapparatuur zijn ook goedkoop in vergelijking met andere oxide-afzettingsmethoden die grote hoeveelheden materiaal of zeer hoge temperaturen vereisen.

“Passiveren van grafeen en onderdrukken van interfaciale fononverstrooiing met mechanisch overgedragen Ga₂O₃“werd gepubliceerd in Nano-brieven.