Los investigadores del MIT han desarrollado una técnica para cultivar materiales 2-D directamente sobre sustratos estampados (que se muestran aquí) y luego reciclar los patrones para obtener más rápido, fabricación de chips más sencilla. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
Los materiales 2-D exóticos son muy prometedores para crear circuitos delgados como átomos que podrían alimentar componentes electrónicos flexibles, optoelectrónica, y otros dispositivos de próxima generación. Pero la fabricación de circuitos 2-D complejos requiere mucho tiempo, Pasos costosos.
En un artículo publicado en PNAS , investigadores del MIT y otros lugares describen una técnica que agiliza el proceso de fabricación, haciendo crecer un material 2-D directamente sobre un sustrato estampado y reciclando los patrones del circuito.
Los investigadores cultivan cuidadosamente una sola capa de disulfuro de molibdeno (MoS 2 ), que tiene solo tres átomos de espesor, sobre un sustrato de crecimiento en un patrón elegido. Este enfoque difiere de las técnicas tradicionales que hacen crecer y grabar un material de forma iterativa, sobre múltiples capas. Estos procesos toman un tiempo y aumentan las posibilidades de causar defectos superficiales que pueden dificultar el desempeño del material.
Con el nuevo método, usando solo agua, los investigadores pueden transferir el material de su sustrato de crecimiento a su sustrato de destino de forma tan limpia que el sustrato con patrón original se puede reutilizar como un tipo de molde de "réplica maestra", es decir, una plantilla reutilizable para la fabricación. En la fabricación tradicional, los sustratos de crecimiento se tiran después de cada transferencia de material, y el circuito debe volver a modelarse sobre un nuevo sustrato para que vuelva a crecer más material.
"Cuando ampliamos la escala y fabricamos dispositivos electrónicos más complejos, las personas necesitan integrar numerosos materiales 2-D en más capas y formas específicas. Si seguimos los métodos tradicionales, paso a paso, será muy lento e ineficaz, "dice el primer autor Yunfan Guo, un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) y el Laboratorio de Investigación en Electrónica. "Nuestro método muestra el potencial de simplificar todo el proceso de fabricación, costo más bajo, y más eficiente ".
En su trabajo, los investigadores fabricaron patrones arbitrarios y un transistor funcional hecho de MoS 2 , que es uno de los semiconductores más delgados conocidos. En su estudio, los investigadores reciclaron el mismo sustrato estampado cuatro veces sin ver signos de desgaste.
A Guo se le unen en el papel los profesores de EECS, Tomas Palacios y Jing Kong; Ju Li, profesor del MIT de ciencia e ingeniería nucleares y de ciencia e ingeniería de materiales; Xi Ling de la Universidad de Boston; Letian Dou y Enzheng Shi de la Universidad Purdue; otros siete estudiantes graduados del MIT, postdoctorados, y ex alumnos; y otros dos coautores de la Universidad de Cornell y la Universidad de Purdue.
Crecimiento controlado
Para diseñar un patrón en un sustrato de crecimiento, los investigadores aprovecharon una técnica que utiliza plasma a base de oxígeno para tallar patrones en la superficie de un sustrato. Alguna versión de esta técnica se ha utilizado experimentalmente antes para desarrollar patrones de material 2-D. Pero la resolución espacial, es decir, el tamaño de las estructuras precisas que se pueden fabricar, es relativamente pobre (100 micrones), y el rendimiento eléctrico ha sido mucho menor que el de los materiales cultivados con otros métodos.
Para arreglar esto, los investigadores llevaron a cabo estudios en profundidad sobre cómo MoS 2 los átomos se organizan en la superficie de un sustrato y cómo ciertos precursores químicos pueden ayudar a controlar el crecimiento del material. Al hacerlo, pudieron aprovechar la técnica para hacer crecer una sola capa de MoS de alta calidad 2 dentro de patrones precisos.
Los investigadores utilizaron máscaras de fotolitografía tradicionales sobre un sustrato de óxido de silicio, donde el patrón deseado se encuentra dentro de las regiones no expuestas a la luz. Posteriormente, esas regiones se exponen al plasma a base de oxígeno. El plasma graba alrededor de 1-2 nanómetros del sustrato en el patrón.
Este proceso también crea una mayor energía superficial y una mayor afinidad por las moléculas amantes del agua ("hidrófilas") en estas regiones tratadas con plasma. Luego, los investigadores usan una sal orgánica, llamado PTAS, que actúa como un promotor de crecimiento para MoS 2 . La sal es atraída por las regiones grabadas hidrófilas recién creadas. Además, los investigadores usaron azufre, un precursor esencial para MoS 2 crecimiento, a una cantidad y temperatura precisas para regular exactamente cuántos átomos del material se formarán en el sustrato.
Cuando los investigadores midieron posteriormente el MoS 2 crecimiento, encontraron que llenaba aproximadamente 0,7 nanómetros del patrón grabado. Eso es equivalente a exactamente una capa de MoS 2 .
Patrones reciclados
Próximo, los investigadores desarrollaron un método para reciclar el sustrato estampado. Tradicionalmente, transferir materiales 2-D de un sustrato de crecimiento a un sustrato de destino, como una superficie flexible, requiere revestir todo el material cultivado en un polímero, grabarlo químicamente, y separándolo de su sustrato de crecimiento. Pero esto inevitablemente trae contaminantes al material. Cuando el material se lanzó, también deja residuos, por lo que los sustratos originales no se pueden reutilizar.
Debido a la débil interacción entre MoS 2 y el sustrato de crecimiento, sin embargo, los investigadores descubrieron que podían separar el MoS 2 limpiamente del sustrato original sumergiéndolo en agua. Este proceso, llamado "delaminación, "elimina la necesidad de utilizar cualquier capa de soporte y produce una ruptura limpia con el material del sustrato.
"Por eso podemos reciclarlo, "Dice Guo". Después de que se transfiera, porque es puramente limpio, nuestro sustrato estampado se recupera y podemos usarlo para múltiples crecimientos ".
Las innovaciones de los investigadores introducen muchos menos defectos superficiales que limitan el rendimiento, medido en movilidad de electrones:qué tan rápido se mueven los electrones a través de un semiconductor.
En su papel los investigadores fabricaron un transistor 2-D, llamado transistor de efecto de campo. Los resultados indican que la movilidad de los electrones y la "relación de encendido-apagado" (la eficiencia con la que un transistor se mueve entre los estados computacionales 1 y 0) son comparables con los valores reportados de alta calidad tradicional, Materiales de alto rendimiento.
El transistor de efecto de campo tiene actualmente una resolución espacial de aproximadamente 2 micrones, que está limitado solo por el láser de los instrumentos de microfabricación que utilizaron los investigadores. Próximo, los investigadores esperan reducir el tamaño del patrón, e integrar directamente circuitos complejos en materiales 2-D utilizando su técnica de fabricación.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
