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Los materiales bidimensionales de sólo unos pocos átomos de espesor pueden exhibir propiedades asombrosas, como la capacidad de conducir cargas eléctricas de manera excepcionalmente efectiva, lo que podría mejorar el rendimiento de los dispositivos electrónicos de próxima generación.
![Integre de forma segura materiales 2D frágiles en dispositivos](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_40574_17022993316173600.jpg)
Sin embargo, integrar materiales bidimensionales en dispositivos y tecnologías como los chips de computadora es un desafío notorio. Los procesos de fabricación tradicionales, que a menudo implican el uso de productos químicos, altas temperaturas o procesos destructivos como el grabado, pueden destruir estas estructuras ultrafinas.
Para abordar este problema, los científicos del MIT y otras instituciones han desarrollado un método novedoso que permite la integración en un solo paso de materiales 2D en dispositivos sin comprometer la calidad o la apariencia impecable de las superficies del material o las interfaces resultantes.
Su técnica se basa en la manipulación de fuerzas superficiales a nanoescala para permitir el apilamiento real del material 2D en capas adicionales de dispositivos prefabricados. Los investigadores podrían aprovechar plenamente las raras capacidades ópticas y eléctricas del material 2D porque no está modificado.
Al utilizar este método, pudieron crear conjuntos de transistores 2D que realizan funciones novedosas en comparación con los dispositivos fabricados con métodos de fabricación más tradicionales. Su enfoque podría tener una amplia gama de aplicaciones en electrónica flexible, detección e informática de alto rendimiento porque es lo suficientemente adaptable para trabajar con una variedad de materiales.
La capacidad de crear interfaces limpias conectadas por fuerzas únicas, llamadas fuerzas de van der Waals, que existen entre toda la materia, es crucial para desbloquear estas nuevas funciones.
Farnaz Niroui, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática (EECS), miembro del Laboratorio de Investigación en Electrónica (RLE) y autor principal de un nuevo estudio que detalla el trabajo, señala que la integración completa de materiales de Van der Waals es funcional. Los dispositivos no siempre son fáciles.
La integración de Van der Waals tiene un límite fundamental. Dado que estas fuerzas dependen de las propiedades intrínsecas de los materiales, no pueden ajustarse fácilmente. Por lo tanto, hay algunos materiales que no pueden integrarse directamente entre sí a través de sus interacciones de Van der Waals únicamente. Hemos desarrollado una plataforma para superar esta limitación para hacer más versátil la integración de van der Waals y promover el desarrollo de dispositivos basados en materiales 2D con funcionalidades nuevas y mejoradas.
Farnaz Niroui, autor principal del estudio y profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática, Instituto de Tecnología de Massachusetts
Peter Satterthwaite, un estudiante de posgrado que estudia ingeniería eléctrica e informática, Jing Kong, profesor de EECS y miembro de RLE, y otros investigadores del MIT, la Universidad de Boston, la Universidad Nacional Tsing Hua en Taiwán y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán y la Universidad Nacional Cheng Kung de Taiwán fueron coautores del estudio con Niroui. El estudio fue publicado en Electrónica de la naturaleza el 8 de diciembreTh2023.
Atracción beneficiosa
Los procesos de fabricación tradicionales pueden presentar dificultades a la hora de producir sistemas complicados como los chips de ordenador. Un material duro como el silicio a menudo se tritura hasta la nanoescala antes de unirlo a otros componentes, como electrodos metálicos y capas aislantes, para crear un dispositivo activo. Este tipo de procesamiento puede dañar los materiales.
Recientemente, los investigadores se han centrado en desarrollar dispositivos y sistemas desde cero utilizando materiales 2D y un proceso de apilamiento físico secuencial. En lugar de utilizar adhesivos químicos o altas temperaturas para unir un material 2D delicado a una superficie tradicional como el silicio, los investigadores utilizan fuerzas de van der Waals para integrar físicamente una capa de material 2D en un dispositivo.
Toda la materia se atrae naturalmente entre sí mediante las fuerzas de Van der Waals. Las fuerzas de Van der Waals, por ejemplo, permiten que las patas de un gecko se adhieran temporalmente a una pared. A pesar de la interacción de Van der Waals presente en todos los materiales, dependiendo de la sustancia, las fuerzas pueden no siempre ser suficientes para mantenerlos unidos.
Por ejemplo, el disulfuro de molibdeno, una conocida sustancia semiconductora 2D, se adhiere a metales como el oro, pero no se transfiere inmediatamente a aislantes como el dióxido de silicio tras el contacto físico.
Sin embargo, los componentes esenciales de un dispositivo electrónico son heteroestructuras, que se crean combinando capas semiconductoras y aislantes. El material 2D se adhirió previamente a una capa intermedia, como oro, y luego se usó para transferir el material 2D al aislante. Luego se eliminó la capa intermedia utilizando productos químicos o altas temperaturas. Este proceso permitió la integración de los dos materiales.
Como alternativa al uso de esta capa de sacrificio, los investigadores del MIT incorporan el aislante de baja adherencia en una matriz de alta adherencia. El material 2D se adhiere a la superficie incrustada con baja adherencia debido a esta matriz adhesiva, que también proporciona las fuerzas necesarias para formar un contacto de Van der Waals entre el material 2D y el aislante.
Crea la matriz
Crean una superficie híbrida hecha de aislantes y metales sobre un sustrato portador para producir dispositivos electrónicos. Los componentes del dispositivo previsto quedan entonces contenidos en la superficie perfectamente lisa que queda revelada después de pelar y voltear esa superficie.
Las interacciones de Van der Waals pueden verse obstaculizadas por espacios entre la superficie y la sustancia 2D; Por tanto, esta suavidad es crucial. Luego, los investigadores producen el material 2D en un entorno completamente estéril y lo colocan muy cerca de la pila de dispositivos preparada.
Una vez que la superficie híbrida se pone en contacto con la capa 2D, sin necesidad de altas temperaturas, disolventes o capas de sacrificio, puede acomodar e integrar la capa 2D en la superficie. De esta manera, permitimos la integración de Van der Waals, que tradicionalmente estaría prohibida, pero que ahora es posible y permite la formación de dispositivos completamente funcionales en un solo paso.
Peter Satterthwaite, investigador principal y candidato a doctorado, Instituto de Tecnología de Massachusetts
Este proceso de un solo paso mantiene el contacto del material 2D completamente limpio, lo que permite que el material funcione hasta sus límites de rendimiento fundamentales sin contaminación ni defectos.
Además, debido a que las superficies permanecen impecables, los investigadores pueden manipular la superficie del material 2D para crear características o conexiones con otros elementos. Por ejemplo, utilizaron este método para fabricar transistores tipo p, que a menudo son difíciles de fabricar con materiales 2D.
Sus transistores son mejores que los de investigaciones anteriores y pueden proporcionar un punto de partida para futuras investigaciones y lograr el rendimiento requerido para una electrónica útil.
Su método se puede utilizar para producir conjuntos de dispositivos más grandes a gran escala. Para aumentar la adaptabilidad de esta plataforma, la tecnología de matriz adhesiva también se puede utilizar para una variedad de materiales e incluso otras fuerzas. Por ejemplo, los investigadores integraron grafeno en un dispositivo y utilizaron una matriz polimérica para crear las interacciones de van der Waals necesarias. Las fuerzas de Van der Waals no son el único agente de adhesión en este caso; Las interacciones químicas también influyen.
Los investigadores esperan ampliar esta plataforma en el futuro para permitir la integración de una amplia gama de bibliotecas de materiales 2D y el estudio de sus propiedades inherentes sin el impacto de la degradación del procesamiento. También esperan crear nuevas plataformas de dispositivos que aprovechen estas funciones avanzadas.
La Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., la Beca Interdisciplinaria BUnano de la Universidad de Boston, el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias contribuyeron a financiar este estudio. La mayoría de los procesos de producción y caracterización se realizaron en instalaciones compartidas de MIT.nano.
Referencia de la revista:
Satterthwaite, PF, et. Alabama. (2023) Integración del dispositivo de Van der Waals más allá de los límites de las fuerzas de Van der Waals mediante transferencia de matriz adhesiva. Electrónica de la naturaleza. doi:10.1038/s41928-023-01079-8
Fuente: http://web.mit.edu/
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