Atomair nauwkeurige assemblage van 2D-materialen maakt de weg vrij voor elektronica van de volgende generatie

Onderzoekers van de Universiteit van Manchester hebben een doorbraak bereikt in de overdracht van 2D-kristallen, waardoor de weg is vrijgemaakt voor de commercialisering ervan in de volgende generatie elektronica. Deze techniek, gedetailleerd in een recente Natuurelektronica artikel, maakt gebruik van een volledig anorganische stempel om de schoonste en meest uniforme 2D-materiaalstapels tot nu toe te creëren.

Het team, onder leiding van professor Roman Gorbatsjov van het National Graphene Institute, gebruikte de anorganische stempel nauwkeurig “kiezen en plaatsen” 2D-kristallen in Van der Waals-heterostructuren van maximaal acht afzonderlijke lagen in een ultrahoogvacuümomgeving. Deze vooruitgang resulteerde in atomair schone interfaces over uitgestrekte gebieden, een aanzienlijke sprong voorwaarts vergeleken met bestaande technieken en een cruciale stap in de richting van de commercialisering van op 2D-materiaal gebaseerde elektronische apparaten.

Bovendien minimaliseerde de stijfheid van het nieuwe stempelontwerp effectief de inhomogeniteit van de spanning in samengestelde stapels. Het team constateerde een opmerkelijke afname van de lokale variatie – over een orde van grootte “verdraaid” interfaces, vergeleken met de huidige state-of-the-art assemblages.

Het nauwkeurig stapelen van individuele 2D-materialen in gedefinieerde reeksen biedt de mogelijkheid om designerkristallen op atomair niveau te ontwikkelen, met nieuwe hybride eigenschappen. Hoewel er talloze technieken zijn ontwikkeld om individuele lagen over te brengen, vertrouwen ze bijna allemaal op organische polymeermembranen of stempels voor mechanische ondersteuning tijdens de overgang van hun oorspronkelijke substraten naar de doelsubstraten. Helaas leidt deze afhankelijkheid van organische materialen onvermijdelijk tot 2D-materiaaloppervlakteverontreiniging, zelfs in zorgvuldig gecontroleerde cleanroomomgevingen.

In veel gevallen zullen oppervlakteverontreinigingen die gevangen zitten tussen 2D-materiaallagen spontaan segregeren in geïsoleerde bellen, gescheiden door atomair schone gebieden. “Deze segregatie heeft ons in staat gesteld de unieke eigenschappen van atomair perfecte stapels te onderzoeken,” legde professor Gorbatsjov uit. “De schone gebieden tussen verontreinigende bellen zijn echter over het algemeen beperkt tot tientallen micrometers voor eenvoudige stapels, terwijl zelfs kleinere gebieden voor complexere structuren met extra lagen en interfaces gepaard gaan.”

Hij werkte verder uit, “Deze alomtegenwoordige, door overdracht geïnduceerde besmetting, samen met de variabele spanning die tijdens het overdrachtsproces wordt geïntroduceerd, is het belangrijkste obstakel geweest dat de ontwikkeling van industrieel levensvatbare elektronische componenten op basis van 2D-materialen belemmert.”

De polymere drager die in conventionele technieken wordt gebruikt, fungeert zowel als een bron van verontreiniging op nanoschaal als als een belemmering voor pogingen om reeds bestaande en omgevingsverontreinigingen te elimineren. Geadsorbeerde verontreiniging wordt bijvoorbeeld mobieler bij hoge temperaturen en kan volledig worden gedesorbeerd, maar polymeren zijn doorgaans niet bestand tegen temperaturen boven een paar honderd graden. Bovendien zijn polymeren onverenigbaar met veel vloeibare reinigingsmiddelen en hebben ze de neiging onder vacuümomstandigheden te ontgassen.

“Om deze beperkingen te overwinnen, hebben we een alternatieve hybride stempel bedacht, bestaande uit een flexibel siliciumnitride-membraan voor mechanische ondersteuning en een ultradunne metaallaag als kleverige ‘lijm’ voor het oppakken van de 2D-kristallen.” legde Dr. Nick Clark, tweede auteur van de studie, uit.

“Met behulp van de metaallaag kunnen we voorzichtig een enkel 2D-materiaal oppakken en vervolgens het atomair vlakke onderoppervlak ervan opeenvolgend op extra kristallen ‘stempelen’. De van der Waals-krachten op dit perfecte grensvlak zorgen ervoor dat deze kristallen zich hechten, waardoor we onberispelijke stapels van maximaal acht lagen kunnen construeren.”

Na het succesvol demonstreren van de techniek met behulp van microscopisch kleine vlokken die mechanisch van kristallen werden geëxfolieerd met behulp van de “plakband” Met deze methode heeft het team het ultraschone overdrachtsproces opgeschaald om materialen uit de gasfase in grotere afmetingen te kunnen verwerken, waardoor een schone overdracht van gebieden op mm-schaal werd bereikt. Het vermogen om hiermee te werken “gegroeid” 2D-materialen zijn cruciaal voor hun schaalbaarheid en potentiële toepassingen in elektronische apparaten van de volgende generatie.