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(noticias nanowerk) Los materiales bidimensionales de sólo unos pocos átomos de espesor pueden tener propiedades increíbles, como la capacidad de transportar carga eléctrica de manera extremadamente eficiente, lo que podría aumentar el rendimiento de los dispositivos electrónicos de próxima generación.
Pero integrar materiales 2D en dispositivos y sistemas como chips de computadora es muy difícil. Estas estructuras ultrafinas pueden resultar dañadas por las técnicas de fabricación tradicionales, que a menudo dependen del uso de productos químicos, altas temperaturas o procesos destructivos como el grabado.
Para superar este desafío, investigadores del MIT y otros lugares han desarrollado una nueva técnica para integrar materiales 2D en dispositivos en un solo paso, manteniendo al mismo tiempo las superficies de los materiales y las interfaces resultantes impecables y libres de defectos.
Las tesis centrales
Investigación
El método del equipo se basa en fuerzas superficiales diseñadas a nanoescala, lo que permite que el material 2D se apile físicamente sobre otras capas de dispositivos prefabricados. Como el material 2D no sufre daños, los investigadores pueden aprovechar al máximo sus propiedades ópticas y eléctricas únicas.
Utilizaron este enfoque para crear conjuntos de transistores 2D que lograron una nueva funcionalidad en comparación con los dispositivos fabricados con técnicas de fabricación tradicionales. Su método, que es lo suficientemente versátil como para usarse con muchos materiales, podría tener diversas aplicaciones en informática de alto rendimiento, detección y electrónica flexible.
El núcleo del desbloqueo de estas nuevas funcionalidades es la capacidad de formar interfaces limpias unidas por fuerzas especiales que existen entre toda la materia, las llamadas fuerzas de van der Waals.
Sin embargo, la integración de materiales de Van der Waals en dispositivos completamente funcionales no siempre es fácil, dice Farnaz Niroui, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática (EECS), miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) y autor principal de un nuevo artículo. documento, que describe la obra.
«La integración de Van der Waals tiene un límite fundamental», explica. “Debido a 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, hacer que la integración de Van der Waals sea más versátil y promover el desarrollo de dispositivos basados en materiales 2D con funcionalidades nuevas y mejoradas”.
Niroui escribió el artículo con el autor principal Peter Satterthwaite, un estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática; Jing Kong, profesor de EECS y miembro de RLE; y otros en el MIT, la Universidad de Boston, la Universidad Nacional Tsing Hua de Taiwán, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán y la Universidad Nacional Cheng Kung de Taiwán. La investigación fue publicada hoy en Electrónica de la naturaleza (“Integración de dispositivos de van der Waals más allá de los límites de las fuerzas de van der Waals mediante transferencia de matriz adhesiva”).
Atracción beneficiosa
La fabricación de sistemas complejos, como un chip de computadora, utilizando técnicas de fabricación tradicionales puede resultar complicada. Normalmente, un material rígido como el silicio se tritura a escala nanométrica y luego se une a otros componentes, como electrodos metálicos y capas aislantes, para formar un dispositivo activo. Este tipo de procesamiento puede provocar daños materiales.
Recientemente, los investigadores se han centrado en construir dispositivos y sistemas desde cero utilizando materiales 2D y un proceso que requiere apilamiento físico secuencial. En lugar de utilizar adhesivos químicos o altas temperaturas para unir un material 2D frágil a una superficie tradicional como el silicio, en este enfoque, los investigadores utilizan las fuerzas de Van der Waals para encapsular físicamente una capa de material 2D en un dispositivo integrado.
Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas de atracción naturales que existen entre toda la materia. Por ejemplo, las patas de un gecko pueden pegarse temporalmente a la pared debido a las fuerzas de Van der Waals. Aunque todos los materiales presentan interacción de Van der Waals, dependiendo del material, las fuerzas no siempre son lo suficientemente fuertes como para mantenerlos unidos. Por ejemplo, un popular material semiconductor 2D llamado disulfuro de molibdeno se adhiere al oro, un metal, pero no se transfiere directamente a aislantes como el dióxido de silicio simplemente al entrar en contacto con esa superficie.
Sin embargo, las heteroestructuras creadas mediante la integración de capas semiconductoras y aislantes son componentes importantes de un dispositivo electrónico. Anteriormente, esta integración era posible uniendo el material 2D a una capa intermedia, como el oro, y luego usando esa capa intermedia para transferir el material 2D al aislante antes de retirar la capa intermedia utilizando productos químicos o altas temperaturas.
En lugar de utilizar esta capa de sacrificio, los investigadores del MIT incorporan el aislante de baja adherencia en una matriz de alta adherencia. Esta matriz adhesiva garantiza que el material 2D se adhiera a la superficie incrustada con baja adherencia y proporciona las fuerzas necesarias para crear una interfaz de van der Waals entre el material 2D y el aislante.
Preparación de la matriz.
Para la fabricación de dispositivos electrónicos se forma una superficie híbrida de metales y aislantes sobre un sustrato soporte. Luego se retira esta superficie y se le da la vuelta para revelar una superficie completamente lisa que contiene los componentes básicos del dispositivo deseado.
Esta suavidad es importante porque los espacios entre la superficie y el material 2D pueden dificultar las interacciones de Van der Waals. Luego, los investigadores preparan el material 2D por separado en un entorno completamente limpio y lo ponen en contacto directo con la pila de dispositivos preparada.
“Una vez que la superficie híbrida entra en contacto con la capa 2D, sin necesidad de altas temperaturas, disolventes o capas de sacrificio, puede aceptar la capa 2D e integrarla 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”, explica Satterthwaite.
Este proceso de un solo paso mantiene la interfaz del material 2D completamente limpia, lo que permite que el material alcance sus límites de rendimiento fundamentales sin verse afectado por defectos o contaminantes.
Y como las superficies permanecen impecables, los investigadores pueden diseñar la superficie del material 2D para crear características o conexiones con otros componentes. Por ejemplo, utilizaron esta técnica para fabricar transistores tipo p, que generalmente son difíciles de fabricar con materiales 2D. Sus transistores han mejorado con respecto a estudios anteriores y pueden proporcionar una plataforma para estudiar y lograr el rendimiento necesario para la electrónica práctica.
Su enfoque se puede implementar a escala para producir conjuntos de dispositivos más grandes. La técnica de la matriz adhesiva también se puede utilizar con una variedad de materiales e incluso otras fuerzas para aumentar la versatilidad de esta plataforma. Por ejemplo, los investigadores integraron grafeno en un dispositivo y formaron las interfaces de van der Waals deseadas utilizando una matriz hecha de un polímero. En este caso, la adhesión se basa en interacciones químicas y no sólo en fuerzas de Van der Waals.
En el futuro, los investigadores quieren aprovechar esta plataforma para permitir la integración de una biblioteca diversa de materiales 2D para estudiar sus propiedades intrínsecas sin la influencia del daño del procesamiento y desarrollar nuevas plataformas de dispositivos que aprovechen estas funcionalidades superiores.
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