A medida que la electrónica se hace más pequeña, los investigadores están buscando componentes diminutos que funcionen de manera confiable en configuraciones cada vez más estrechas. Los elementos prometedores incluyen los compuestos químicos seleniuro de indio (InSe) y seleniuro de galio (GaSe). En forma de capas ultrafinas, forman semiconductores bidimensionales (2-D). Pero, hasta aquí, apenas se han utilizado porque se degradan cuando entran en contacto con el aire durante la fabricación. Ahora, una nueva técnica permite integrar el material sensible en componentes electrónicos sin perder sus propiedades deseadas. El método, que ha sido descrito en la revista Materiales e interfaces aplicados de ACS , fue desarrollado por Himani Arora, candidato a doctorado en física en Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

"Logramos hacer transistores encapsulados basados ​​en seleniuro de indio y seleniuro de galio, "informa el Dr. Artur Erbe, jefe del grupo de Transporte en Nanoestructuras en el Instituto de Investigación de Materiales y Física de Rayos de Iones de HZDR. "La técnica de encapsulación protege las capas sensibles de los impactos externos y preserva su rendimiento".

Para encapsulación, los científicos utilizan nitruro de boro hexagonal (hBN). Es ideal para este propósito porque se puede formar en una capa delgada y también es inerte, por lo que no responde a su entorno.

Se considera que el seleniuro de indio y galio son candidatos prometedores para diversas aplicaciones en áreas como la electrónica de alta frecuencia, optoelectrónica y tecnología de sensores. Estos materiales se pueden convertir en películas en forma de escamas de solo cinco a 10 capas atómicas de espesor, que se puede utilizar para producir componentes electrónicos de dimensiones extremadamente pequeñas.

Durante la encapsulación, las escamas 2-D están dispuestas entre dos capas de nitruro de boro hexagonal y, por lo tanto, están completamente encerradas. La capa superior de hBN es responsable del aislamiento exterior, el inferior para mantener la distancia al sustrato. La técnica fue desarrollada originalmente por el grupo de James Hone en la Universidad de Columbia en Nueva York, donde Himani Arora la aprendió durante una visita de investigación. Posteriormente, el estudiante de doctorado continuó trabajando sobre el tema en la NanoNet de la Escuela Internacional de Investigación Helmholtz (IHRS) de HZDR.

Aplicar contactos sin litografía

Uno de los desafíos particularmente grandes planteados por la técnica de encapsulación fue aplicar contactos externos a los semiconductores. El método habitual de deposición por evaporación utilizando una fotomáscara no es adecuado, porque durante este proceso, los materiales sensibles entran en contacto tanto con productos químicos como con aire y, por lo tanto, se degradan. Así que los investigadores del HZDR emplearon una técnica de contacto sin litografía que involucraba electrodos metálicos hechos de paladio y oro incrustados en una lámina de hBN. Esto significa que la encapsulación y el contacto eléctrico con la capa 2-D debajo se pueden lograr al mismo tiempo.

"Para producir los contactos, el patrón de electrodo deseado se graba sobre la capa de hBN para que los orificios creados se puedan rellenar con paladio y oro mediante evaporación por haz de electrones, "Himani Arora explica." Luego, lamina la lámina de hBN con los electrodos en la escama 2-D. "Cuando hay varios contactos en una oblea de hBN, Se puede hacer y medir el contacto con varios circuitos. Para una aplicación posterior, los componentes se apilarán en capas.

Como han demostrado los experimentos, la encapsulación completa con nitruro de boro hexagonal protege las capas 2-D de la descomposición y degradación y asegura calidad y estabilidad a largo plazo. La técnica de encapsulación desarrollada en HZDR es robusta y fácil de aplicar a otros materiales complejos 2-D. Esto abre nuevos caminos para los estudios fundamentales, así como para la integración de estos materiales en aplicaciones tecnológicas. Los nuevos semiconductores bidimensionales son baratos de producir y se pueden utilizar para diversas aplicaciones, como detectores que miden longitudes de onda de luz. Otro ejemplo de uso sería como acopladores entre luz y corriente electrónica generando luz o conmutando transistores usando luz.