Nieuw atomair dun materiaal kan de efficiëntie van op licht gebaseerde technologie verbeteren

Zonnepanelen, camera’s, biosensoren en glasvezel zijn technologieën die afhankelijk zijn van fotodetectoren of sensoren die licht omzetten in elektriciteit. Fotodetectoren worden efficiënter en betaalbaarder, waarbij hun halfgeleiderchips steeds kleiner worden. Deze miniaturisering dringt echter aan op de limieten die worden gesteld door de huidige materialen en productiemethoden, waardoor een afweging tussen grootte en prestatie wordt afgedwongen.

Zonnepanelen, camera’s, biosensoren en glasvezel zijn technologieën die afhankelijk zijn van fotodetectoren of sensoren die licht omzetten in elektriciteit. Fotodetectoren worden efficiënter en betaalbaarder, waarbij hun halfgeleiderchips steeds kleiner worden. Deze miniaturisering dringt echter aan op de limieten die worden gesteld door de huidige materialen en productiemethoden, waardoor een afweging tussen grootte en prestatie wordt afgedwongen.

Er zijn veel beperkingen van het traditionele fabricageproces van halfgeleiderchips. De chips worden gemaakt door de halfgeleiderfilm over de bovenkant van een wafer te laten groeien op een manier waarbij de kristallijne structuur van de film in lijn ligt met die van de substraatwafel. Dit maakt het moeilijk om de film op andere substraatmaterialen over te brengen, waardoor de toepasbaarheid wordt verminderd.

Bovendien wordt de huidige methode voor het overbrengen en stapelen van deze films gedaan door middel van mechanische exfoliatie, een proces waarbij een stukje tape de halfgeleiderfilm aftrekt en vervolgens laag voor laag op een nieuw substraat overbrengt. Dit proces resulteert in meerdere niet-uniforme lagen die op elkaar zijn gestapeld, waarbij de onvolkomenheden van elke laag zich in het geheel ophopen. Dit proces beïnvloedt de kwaliteit van het product en beperkt de reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van deze chips.

Ten slotte functioneren bepaalde materialen niet goed als extreem dunne lagen. Silicium blijft alomtegenwoordig als het materiaal bij uitstek voor halfgeleiderchips, maar hoe dunner het wordt, hoe slechter het presteert als een fotonische structuur, waardoor het minder dan ideaal is in fotodetectoren. Andere materialen die beter presteren dan silicium als extreem dunne lagen, hebben nog steeds een bepaalde dikte nodig om te interageren met licht, wat de uitdaging vormt om optimale fotonische materialen en hun kritische dikte te identificeren om te werken in halfgeleiderchips van fotodetectoren.

Het vervaardigen van uniforme, extreem dunne, hoogwaardige fotonische halfgeleiderfilms van ander materiaal dan silicium zou halfgeleiderchips efficiënter, toepasbaar en schaalbaarder maken.

Penn Engineers Deep Jariwala, assistent-professor in Electrical and Systems Engineering, en Pawan Kumar en Jason Lynch, een postdoctoraal onderzoeker en een doctoraalstudent in zijn laboratorium, leidden een studie gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie dat was precies dat doel. Eric Stach, Professor in Materials Science and Engineering, samen met zijn postdoc Surendra Anantharaman, doctoraalstudent Huiqin Zhang en student Francisco Barrera droegen ook bij aan dit werk. De gezamenlijke studie omvatte ook onderzoekers van Penn State, AIXTRON, UCLA, het Air Force Research Lab en het Brookhaven National Lab, en werd voornamelijk gefinancierd door het Army Research Lab. Hun paper beschrijft een nieuwe methode voor het vervaardigen van atomair dunne superroosters, of halfgeleiderfilms, die zeer licht emitterend zijn.

Materialen van één atoom dik hebben over het algemeen de vorm van een rooster, of een laag geometrisch uitgelijnde atomen die een patroon vormen dat specifiek is voor elk materiaal. Een superrooster bestaat uit roosters van verschillende materialen die op elkaar zijn gestapeld. Superroosters hebben volledig nieuwe optische, chemische en fysische eigenschappen waardoor ze geschikt zijn voor specifieke toepassingen zoals foto-optica en andere sensoren.

Het team van Penn Engineering maakte een superrooster, vijf atomen dik, van wolfraam en zwavel (WS2).

“Na twee jaar onderzoek met simulaties die ons vertelden hoe het superrooster zou interageren met de omgeving, waren we klaar om het superrooster experimenteel te bouwen”, zegt Kumar. “Omdat traditionele superroosters rechtstreeks op een gewenst substraat worden gekweekt, zijn ze meestal miljoenen atomen dik en moeilijk over te brengen naar andere materiaalsubstraten. We hebben samengewerkt met industriële partners om ervoor te zorgen dat onze atomair dunne superroosters werden gekweekt om schaalbaar en toepasbaar te zijn op veel verschillende materialen.”

Ze groeiden monolagen van atomen, of roosters, op een twee-inch wafer en losten vervolgens het substraat op, waardoor het rooster kon worden overgebracht naar elk gewenst materiaal, in hun geval saffier. Bovendien is hun rooster gemaakt met herhalende eenheden van atomen die in één richting zijn uitgelijnd om het superrooster tweedimensionaal, compact en efficiënt te maken.

“Ons ontwerp is ook schaalbaar”, zegt Lynch. “Met onze methode hebben we een superrooster kunnen maken met een oppervlakte gemeten in centimeters, wat een grote verbetering is in vergelijking met de micronschaal van silicium superroosters die momenteel worden geproduceerd. Deze schaalbaarheid is mogelijk door uniforme dikte in onze superroosters, waardoor het productieproces eenvoudig en herhaalbaar. Schaalbaarheid is belangrijk om onze superroosters op de industriestandaard, 4-inch chips te kunnen plaatsen.”

Hun superroosterontwerp is niet alleen extreem dun, waardoor het lichtgewicht en kosteneffectief is, het kan ook licht uitstralen, niet alleen detecteren.

“We gebruiken een nieuw type structuur in onze superroosters met exciton-polaritonen, dit zijn quasi-toestanddeeltjes gemaakt van half materie en half licht”, zegt Lynch. “Licht is heel moeilijk te beheersen, maar we kunnen materie beheersen, en we ontdekten dat we door de vorm van het superrooster te manipuleren, we indirect het licht konden controleren dat eruit wordt uitgestraald. Dit betekent dat ons superrooster een lichtbron kan zijn. Deze technologie heeft het potentieel om lidar-systemen in zelfrijdende auto’s, gezichtsherkenning en computervisie aanzienlijk te verbeteren.”

Het kunnen uitstralen en detecteren van licht met hetzelfde materiaal opent de deur voor meer gecompliceerde toepassingen.

“Een huidige technologie waarvan ik zie dat ons superrooster wordt gebruikt, is in geïntegreerde fotonische computerchips die worden aangedreven door licht”, zegt Lynch. “Licht beweegt sneller dan elektronen, dus een chip die wordt aangedreven door licht zal de rekensnelheid verhogen, waardoor het proces efficiënter wordt, maar de uitdaging was om een ​​lichtbron te vinden die de chip van stroom kan voorzien. Ons superrooster kan daar een oplossing zijn.”

Toepassingen voor deze nieuwe technologie zijn divers en zullen waarschijnlijk hightech robotica, raketten en lasers omvatten. Vanwege het brede scala aan toepassingen voor deze superroosters is de schaalbaarheid erg belangrijk.

“Onze superroosters zijn gemaakt met een algemeen, niet-geavanceerd proces dat niet meerdere stappen in een cleanroom vereist, waardoor het proces gemakkelijk kan worden herhaald”, zegt Kumar. “Bovendien is het ontwerp toepasbaar op veel verschillende soorten materialen, waardoor het aanpasbaar is.”

“In de technische wereld is er een constante evolutie van dingen die naar de nanoschaal gaan”, zegt hij. “We zullen zeker een uitdunning zien van microchips en de structuren die ze maken, en ons werk in het tweedimensionale materiaal maakt deel uit van deze evolutie.”

“Natuurlijk, als we dingen dunner maken en technologie steeds kleiner maken, beginnen we te interageren met de kwantummechanica en dat is het moment waarop we interessante en onverwachte verschijnselen zien optreden”, zegt Lynch. “Ik ben erg enthousiast om deel uit te maken van een team dat kwantummechanica in high-impact technologie brengt.”