Investigadores de la Universidad de Manchester han logrado un gran avance en la transferencia de cristales 2D, allanando el camino para su comercialización en la electrónica de próxima generación. Esta técnica, detallada en un reciente Nature Electronics artículo, utiliza un sello totalmente inorgánico para crear las pilas de material 2D más limpias y uniformes hasta la fecha.
El equipo, dirigido por el profesor Roman Gorbachev del Instituto Nacional de Grafeno, empleó el sello inorgánico para "recoger y colocar" con precisión cristales 2D en heteroestructuras de van der Waals de hasta ocho capas individuales dentro de un entorno de vacío ultraalto. Este avance dio como resultado interfaces atómicamente limpias en áreas extensas, un avance significativo en comparación con las técnicas existentes y un paso crucial hacia la comercialización de dispositivos electrónicos basados en materiales 2D.
Además, la rigidez del nuevo diseño del sello minimizó efectivamente la falta de homogeneidad de deformación en las pilas ensambladas. El equipo observó una notable disminución en la variación local (en un orden de magnitud) en las interfaces "retorcidas", en comparación con los ensamblajes de última generación actuales.
El apilamiento preciso de materiales 2D individuales en secuencias definidas tiene el potencial de diseñar cristales de diseño a nivel atómico, con novedosas propiedades híbridas. Si bien se han desarrollado numerosas técnicas para transferir capas individuales, casi todas se basan en membranas o sellos de polímeros orgánicos como soporte mecánico durante la transición de sus sustratos originales a los de destino. Desafortunadamente, esta dependencia de materiales orgánicos introduce inevitablemente contaminación de la superficie del material 2D, incluso en entornos de salas blancas meticulosamente controlados.
En muchos casos, los contaminantes de la superficie atrapados entre capas de material 2D se segregarán espontáneamente en burbujas aisladas separadas por áreas atómicamente limpias. "Esta segregación nos ha permitido explorar las propiedades únicas de las pilas atómicamente perfectas", explicó el profesor Gorbachev. "Sin embargo, las áreas limpias entre las burbujas contaminantes generalmente se limitan a decenas de micrómetros para pilas simples, con áreas aún más pequeñas para estructuras más complejas que involucran capas e interfaces adicionales".
Además, explicó:"Esta contaminación ubicua inducida por la transferencia, junto con la tensión variable introducida durante el proceso de transferencia, ha sido el principal obstáculo que obstaculiza el desarrollo de componentes electrónicos industrialmente viables basados en materiales 2D".
El soporte polimérico utilizado en las técnicas convencionales actúa como una fuente de contaminación a nanoescala y como un impedimento para los esfuerzos por eliminar los contaminantes ambientales y preexistentes. Por ejemplo, la contaminación adsorbida se vuelve más móvil a altas temperaturas y puede ser completamente desorbida, pero los polímeros normalmente no pueden soportar temperaturas superiores a unos pocos cientos de grados. Además, los polímeros son incompatibles con muchos agentes de limpieza líquidos y tienden a desgasificarse en condiciones de vacío.
"Para superar estas limitaciones, ideamos un sello híbrido alternativo, que comprende una membrana flexible de nitruro de silicio como soporte mecánico y una capa de metal ultrafina como un 'pegamento' pegajoso para recoger los cristales 2D", explicó el Dr. Nick Clark, segundo autor de el estudio.
"Usando la capa de metal, podemos tomar con cuidado un único material 2D y luego 'estampar' secuencialmente su superficie inferior atómicamente plana sobre cristales adicionales. Las fuerzas de Van der Waals en esta interfaz perfecta provocan la adherencia de estos cristales, lo que nos permite construir impecables pilas de hasta ocho capas."
Después de demostrar con éxito la técnica utilizando escamas microscópicas exfoliadas mecánicamente de cristales mediante el método de "cinta adhesiva", el equipo amplió el proceso de transferencia ultralimpia para manejar materiales cultivados a partir de la fase gaseosa en tamaños más grandes, logrando una transferencia limpia de áreas de escala de mm. La capacidad de trabajar con estos materiales 2D "crecidos" es crucial para su escalabilidad y posibles aplicaciones en dispositivos electrónicos de próxima generación.
Más información: Wendong Wang et al, Montaje limpio de heteroestructuras de van der Waals utilizando membranas de nitruro de silicio, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-01075-y
Información de la revista: Electrónica de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Manchester
