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Investigadores de la Universidad de Manchester han logrado un avance significativo en la transferencia de cristales bidimensionales que podrían impulsar su comercialización en la electrónica de próxima generación. Publicado en Electrónica de la naturalezaEl nuevo método utiliza un sello completamente inorgánico para producir pilas de material 2D uniformes y anatómicamente limpias como nunca antes.
Dirigido por el profesor Roman Gorbachev del Instituto Nacional de Grafeno, el grupo llevó a cabo su investigación en un entorno de vacío ultraalto y utilizó la técnica para «capturar y colocar».
Este avance dio como resultado interfaces atómicamente limpias en grandes regiones, lo que representa una mejora significativa con respecto a los métodos actuales y un paso necesario hacia la comercialización de dispositivos eléctricos basados en materiales 2D.
Además, se logró minimizar la falta de homogeneidad de deformaciones en las pilas ensambladas gracias a la rigidez del nuevo diseño del sello. Al comparar las interfaces «retorcidas» con los conjuntos de última generación que ya se utilizan, los investigadores encontraron una disminución significativa en la variación local, que es muchos órdenes de magnitud menor.
La capacidad de apilar con precisión diferentes materiales 2D en órdenes predeterminados podría conducir al desarrollo de cristales de diseño a nivel atómico con características híbridas únicas. Aunque se han desarrollado varios métodos para transferir capas individuales, casi todos se basan en membranas o sellos de polímeros orgánicos que brindan soporte mecánico a medida que las capas se mueven desde sus sustratos de origen a los sustratos de destino.
Desafortunadamente, esta dependencia de materiales orgánicos conduce en última instancia a la contaminación de la superficie de los materiales 2D, incluso en condiciones de sala limpia cuidadosamente mantenidas.
Los contaminantes de la superficie atrapados entre capas de materiales 2D a menudo se dividen espontáneamente en burbujas aisladas separadas por regiones atómicamente limpias.
Esta separación nos ha permitido explorar las propiedades únicas de las pilas atómicamente perfectas. Sin embargo, las áreas limpias entre las burbujas contaminantes generalmente se limitan a decenas de micrómetros en pilas simples, y las áreas son aún más pequeñas en estructuras más complejas con capas e interfaces adicionales.
Roman Gorbachev, profesor, Instituto Nacional de Grafeno, Universidad de Manchester
Y añadió: «Esta contaminación generalizada inducida por la transferencia, junto con la tensión variable creada durante el proceso de transferencia, ha sido el principal obstáculo para el desarrollo de componentes electrónicos industrialmente útiles basados en materiales 2D.«
Cuando los métodos tradicionales utilizan portadores de polímeros, esto complica los intentos de eliminar contaminantes ambientales y preexistentes y sirve como una fuente de contaminación a nanoescala. Por ejemplo, los contaminantes adsorbidos pueden desorberse por completo o volverse más móviles a altas temperaturas, mientras que los polímeros normalmente no pueden tolerar temperaturas superiores a unos pocos cientos de grados. Además, los polímeros son propensos a desgasificarse en condiciones de vacío y son incompatibles con una variedad de soluciones de limpieza líquidas.
Para superar estas limitaciones, desarrollamos un sello híbrido alternativo que consiste en una membrana flexible de nitruro de silicio como soporte mecánico y una capa de metal ultrafina como un «pegamento» pegajoso para sujetar los cristales 2D. Usando la capa de metal, podemos recoger con cuidado un único material 2D y luego «imprimir» su parte inferior atómicamente plana en cristales adicionales, uno a la vez. Las fuerzas de Van der Waals en esta interfaz perfecta hacen que estos cristales se adhieran, lo que nos permite construir pilas impecables de hasta 8 capas.
Dr. Nick Clark, segundo autor del estudio, Universidad de Manchester
Después de probar con éxito la tecnología utilizando pequeñas escamas de cristales despegados mecánicamente utilizando el método de «cinta adhesiva», los investigadores ampliaron el proceso de transferencia ultralimpia para manejar materiales más grandes fabricados a partir de la fase gaseosa, logrando así una transferencia limpia de áreas de mm. Trabajar con estos materiales 2D «cultivados» es crucial por su escalabilidad y uso potencial en dispositivos electrónicos de próxima generación.
Reconociendo la importancia del descubrimiento, la Universidad de Manchester ha presentado una solicitud de patente pendiente para proteger tanto el método como el equipo. El equipo de investigación ahora está interesado en colaborar con socios de la industria para evaluar la efectividad de esta tecnología para transferir películas 2D desde sustratos en crecimiento a escala de oblea.
Están buscando expresiones de interés de fabricantes de dispositivos, fundiciones de semiconductores y fabricantes de dispositivos electrónicos que tengan materiales 2D en su hoja de ruta de productos.
Referencia de la revista:
Wang, W, et. Alabama. (2023) Construcción limpia de heteroestructuras de van der Waals utilizando membranas de nitruro de silicio. Electrónica de la naturaleza. doi:10.1038/s41928-023-01075-y.
Fuente: https://www.manchester.ac.uk/
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