Espelho, espelho, quem é o semicondutor mais eficiente de todos?

Uma equipe de pesquisadores liderados pela Penn State descobriu que etapas em escala atômica em substratos de safira permitem o alinhamento de cristais de materiais 2D durante a fabricação de semicondutores. A manipulação desses materiais durante a síntese pode reduzir defeitos e melhorar o desempenho dos dispositivos eletrônicos. Crédito: Jennifer McCann/Penn State/Penn State. Todos os direitos reservados.

3 de agosto de 2023

Por Jamie Oberdick

UNVERSITY PARK, Pensilvânia – A próxima geração de materiais semicondutores 2D não gosta do que vê quando se olha no espelho. As abordagens atuais de síntese para fazer nanofolhas de camada única de material semicondutor para eletrônicos atomicamente finos desenvolvem um defeito peculiar de “espelho duplo” quando o material é depositado em substratos de cristal único como a safira. A nanofolha sintetizada contém contornos de grãos que atuam como um espelho, com o arranjo dos átomos de cada lado organizados em oposição refletida um ao outro.

Isso é um problema, de acordo com pesquisadores da Plataforma de Inovação de Materiais do Consórcio de Cristal Bidimensional da Penn State (2DCC-MIP) e seus colaboradores. Os elétrons se espalham quando atingem o limite, reduzindo o desempenho de dispositivos como transistores. Este é um gargalo, disseram os pesquisadores, para o avanço da eletrônica de próxima geração para aplicações como Internet das Coisas e inteligência artificial. Mas agora, a equipe de pesquisa pode ter encontrado uma solução para corrigir esse defeito. Eles publicaram seu trabalho na Nature Nanotechnology.

Este estudo pode ter um impacto significativo na pesquisa de semicondutores, permitindo que outros pesquisadores reduzam os defeitos dos gêmeos espelhados, de acordo com a autora principal Joan Redwing, diretora do 2DCC-MIP, especialmente porque o campo tem aumentado a atenção e o financiamento do CHIPS e da Lei da Ciência aprovada pela última vez. ano. A autorização da legislação aumentou o financiamento e outros recursos para impulsionar os esforços da América para onshore a produção e desenvolvimento de tecnologia de semicondutores.

Uma folha de disseleneto de tungstênio de camada única – com apenas três átomos de espessura – seria um semicondutor altamente eficaz e atomicamente fino para controlar e manipular o fluxo de corrente elétrica, de acordo com Redwing. Para fazer a nanofolha, os pesquisadores usam a deposição de vapor químico orgânico metálico (MOCVD), uma tecnologia de fabricação de semicondutores usada para depositar camadas ultrafinas de cristal único em um substrato, neste caso um wafer de safira.

Embora o MOCVD seja usado na síntese de outros materiais, os pesquisadores do 2DCC-MIP foram pioneiros em seu uso para a síntese de semicondutores 2D, como o disseleneto de tungstênio, disse Redwing. O disseleneto de tungstênio pertence a uma classe de materiais chamados dichalcogenetos de metais de transição, com três átomos de espessura, com o metal de tungstênio imprensado entre átomos de seleneto não metálico, que manifesta propriedades semicondutoras desejáveis ​​para eletrônica avançada.

“Para obter folhas de camada única com um alto grau de perfeição cristalina, usamos wafers de safira como modelo para alinhar os cristais de disseleneto de tungstênio à medida que eles são depositados pelo MOCVD na superfície do wafer”, disse Redwing, que também é um ilustre professor de materiais. ciência e engenharia e de engenharia elétrica na Penn State. “No entanto, os cristais de disseleneto de tungstênio podem se alinhar em direções opostas no substrato de safira. À medida que os cristais de orientação oposta crescem em tamanho, eles finalmente se encontram na superfície da safira para formar a fronteira do espelho gêmeo.”

Para resolver esse problema e fazer com que a maioria dos cristais de disseleneto de tungstênio se alinhassem com os cristais de safira, os pesquisadores aproveitaram “degraus” na superfície da safira. O único cristal de safira que compõe o wafer é altamente perfeito em termos físicos; entretanto, não é perfeitamente plano no nível atômico. Existem degraus na superfície que têm apenas um ou dois átomos de altura, com áreas planas entre cada degrau.

Aqui, disse Redwing, os pesquisadores encontraram a origem suspeita do defeito do espelho.