Tweedimensionale oxiden openen de deur voor snelle elektronica

Vooruitgang in rekenkracht in de afgelopen decennia is deels te danken aan ons vermogen om steeds kleinere transistors te maken, een bouwsteen van elektronische apparaten, maar we naderen de limiet van de doorgaans gebruikte siliciummaterialen. Volgens een internationaal team van wetenschappers kan een nieuwe techniek voor het maken van 2D-oxidematerialen de weg vrijmaken voor toekomstige hogesnelheidselektronica.

“Een manier waarop we onze transistors, onze elektronische apparaten, sneller kunnen laten werken, is door de afstand die elektronen moeten afleggen tussen punt A en B te verkleinen”, zegt Joshua Robinson, professor materiaalkunde en engineering aan Penn State. “Je kunt maar zo ver gaan met 3D-materialen zoals silicium – als je het eenmaal verkleint tot een nanometer, veranderen de eigenschappen ervan. Er is dus een enorme druk geweest om naar nieuwe materialen te kijken, waaronder 2D-materialen.”

Het team, geleid door Furkan Turker, afgestudeerde student aan de afdeling Materiaalwetenschappen, gebruikte een techniek genaamd opsluiting hetroepitaxy, of CHet, om 2D-oxiden te creëren, materialen met speciale eigenschappen die kunnen dienen als een atomair dunne isolerende laag tussen lagen elektrisch geleidende materialen.

“Nu kunnen we in wezen ’s werelds dunste oxiden maken – slechts een paar atomen dik, ” zei Turker. “Hiermee kun je geleidende lagen dichter bij elkaar brengen dan ooit zonder ze elkaar te laten raken. Dit maakt de vorming van een ultradunne barrière tussen geleidende lagen mogelijk, wat essentieel is voor de fabricage van elektronische apparaten van de volgende generatie, zoals diodes of transistors.”

In laboratoriumtests toonden de oxiden goede eigenschappen voor gebruik in 2D/3D gestapelde materialen, heterostructuren genaamd, waarmee elektronen verticaal door de structuur kunnen reizen in plaats van horizontaal zoals conventionele apparaten.

Dit verkort de afstand die de elektronen moeten afleggen om een ​​stroom van elektriciteit te creëren, belangrijk voor het bouwen van toekomstige hogesnelheidsapparaten die werken op gigahertz- en terahertz-frequenties, aldus de wetenschappers. Ze rapporteerden hun bevindingen in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen.

“Dat is de echte motivatie hierachter – kunnen we iets maken dat een isolator is die in wezen slechts een paar atomen dik is en toch in staat zijn om de elektronische eigenschappen van de hele stapel te beheersen, ” zei Robinson. “En omdat het veel korter is, kunnen onze elektronen sneller van A naar B gaan en hoeven ze hun snelheid helemaal niet te verhogen.”

Het onderzoek is gebaseerd op eerder werk in Penn State met behulp van opsluitingsheteroepitaxy om atomaire dunne metalen te creëren, dat nu wordt onderzocht als onderdeel van het Center for Nanoscale Science in Penn State, een National Science Foundation Materials Research, Science and Engineering Center (MRSEC).

Het proces omvat het verhitten van siliciumcarbide tot een hoge temperatuur, waardoor een dunne laag silicium van het oppervlak verdampt en koolstof achterblijft die zich herschikt om grafeen te vormen – een 2D-versie van koolstof, die in wezen een beschermende laag over het materiaal vormt.

Belangrijk is dat de grafeen- en siliciumcarbide-interface slechts gedeeltelijk stabiel is. Dit betekent dat wanneer de wetenschappers gaten in het grafeen prikken en pure metaalpoeders bij hoge temperaturen op het oppervlak verdampen, de metalen in de gaten worden getrokken in een capillair actie-achtig proces, aldus de wetenschappers.

Die metalen zijn geleidend of zelfs supergeleidend, maar kunnen door oxidatie tot isolatoren worden gemaakt – hetzelfde proces dat ervoor zorgt dat metalen gaan roesten wanneer ze worden blootgesteld aan lucht.

In het nieuwe werk creëerden de wetenschappers extra gaten of patronen in het materiaal en verhitten het opnieuw, waardoor gas kon interageren met de metaallaag erin.

“Het is echt net Legoland: je kunt allerlei ‘Lego’-kleuren krijgen en ze op elkaar stapelen, en hetzelfde geldt voor deze 2D-materialen,’ zei Robinson. “In dit werk maken we onze stapel ‘Lego’s’ en veranderen we vervolgens de kleur van de ‘Lego’ in het midden door er langzaam een ​​beetje zuurstof in te persen, zonder iets anders te verwijderen.”

Het proces stelt wetenschappers in staat om traditioneel 3D-materialen zoals galliumoxide in 2D-vorm te stabiliseren.

Bij het kweken van galliumoxide op traditionele wijze, zal het materiaal in eerste instantie samenballen of samenklonteren en pas resulteren in een uniforme film als het materiaal enkele nanometers dik is, aldus de wetenschappers.

De CHet-techniek produceert een grafeendop die de materialen insluit en resulteert in moleculair dunne lagen, aldus de wetenschappers.

“De eigenschappen van het grafeen regelen alles eronder”, zei Turker. “Het belangrijkste dat dit artikel aantoont, is dat grafeen een poortwachter is en door de eigenschappen van onze poortwachter te kunnen controleren, kunnen we lagen eronder afstemmen om een ​​2D-metaal of oxide te vormen, waarmee we de elektronische eigenschappen kunnen manipuleren. van de 2D/3D heterostructuur.”

Verder werk omvat het kweken van materialen bovenop het grafeen om de structuur van het apparaat te creëren en het bestuderen van de verbindingen tussen die lagen en mogelijke defecten in de materialen.