Los semiconductores, metales y aislantes deben integrarse para hacer los transistores que son los componentes electrónicos de su teléfono inteligente, computadora y otros dispositivos con microchip. Los transistores de hoy en día son minúsculos, de solo 10 nanómetros de ancho, y están formados por trescristales dimensionales 3D.
Pero surge una nueva tecnología disruptiva que utiliza cristales bidimensionales 2D, de solo 1 nanómetro de grosor, para permitir la electrónica ultradelgada. Los científicos de todo el mundo están investigando cristales 2D hechos de materiales en capas comunes para restringir el transporte de electrones en solo dos dimensiones.Anteriormente se encontraron formas de litografiar capas individuales de átomos de carbono llamados grafeno en "alambres" en forma de cinta completa con aislamiento proporcionado por una capa similar de nitruro de boro. Pero hasta ahora no han tenido métodos de síntesis y procesamiento para unir litográficamente las uniones entre dos semiconductores diferentes.dentro de una sola capa de espesor nanométrico para formar transistores, los bloques de construcción de dispositivos electrónicos ultrafinos.
Ahora, por primera vez, los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han combinado un nuevo proceso de síntesis con técnicas comerciales de litografía por haz de electrones para producir conjuntos de uniones semiconductoras en patrones arbitrarios dentro de un solo cristal semiconductor de espesor nanométrico.El proceso se basa en la transformación de las regiones estampadas de un cristal existente de una sola capa en otro. Los investigadores primero cultivaron capas individuales de cristales de diselenuro de molibdeno de espesor nanométrico en sustratos y luego depositaron patrones protectores de óxido de silicio utilizando técnicas de litografía estándar. Luego bombardearonlas regiones expuestas de los cristales con un haz de átomos de azufre generado por láser. Los átomos de azufre reemplazaron los átomos de selenio en los cristales para formar disulfuro de molibdeno, que tiene una estructura cristalina casi idéntica. Los dos cristales semiconductores formaron uniones afiladas, el edificio deseadobloques de electrónica. Comunicaciones de la naturaleza informa el logro
"Literalmente podemos hacer cualquier tipo de patrón que queramos", dijo Masoud Mahjouri-Samani, quien dirigió el estudio con David Geohegan. Geohegan, jefe del Grupo de Síntesis de Nanomateriales y Montaje Funcional de ORNL en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, es el investigador principal de un proyecto de ciencia básica del Departamento de Energía que se centra en los mecanismos de crecimiento y la síntesis controlada de nanomateriales. Pueden crearse simultáneamente millones de bloques de construcción 2D con numerosos patrones, añadió Mahjouri-Samani. En el futuro, podría ser posiblepara producir diferentes patrones en la parte superior e inferior de una hoja. Se podría introducir una mayor complejidad colocando capas con diferentes patrones.
Geohegan agregado, "El desarrollo de un proceso escalable y fácil de implementar para crear patrones litográficos y formar fácilmente heterouniones semiconductoras laterales dentro de cristales bidimensionales satisface una necesidad crítica de 'bloques de construcción' para permitir dispositivos ultrafinos de próxima generación para aplicaciones que van desde flexibleselectrónica de consumo a energía solar "
Afinando el bandgap
"Elegimos la deposición de azufre por láser pulsado debido al control digital que le da sobre el flujo del material que sale a la superficie", dijo Mahjouri-Samani. "Básicamente puede hacer cualquier tipo de aleación intermedia. Puede simplementereemplace, digamos, el 20 por ciento del selenio con azufre, o el 30 por ciento, o el 50 por ciento. "Geohegan agregado", la deposición por láser pulsado también permite ajustar la energía cinética de los átomos de azufre, lo que le permite explorar una gama más amplia de condiciones de procesamiento"
Es importante que al controlar la relación de azufre a selenio dentro del cristal, los investigadores puedan ajustar el intervalo de banda de los semiconductores, un atributo que determina las propiedades electrónicas y ópticas. Para fabricar dispositivos optoelectrónicos como pantallas electroluminiscentes, los fabricantes de microchips integran semiconductorescon diferentes bandas prohibidas. Por ejemplo, la banda prohibida del disulfuro de molibdeno es mayor que la del diselenuro de molibdeno. Al aplicar voltaje a un cristal que contiene ambos semiconductores, los electrones y los "agujeros" cargas positivas creadas cuando los electrones se desocupan se mueven del disulfuro de molibdeno al diselenuro de molibdeno y se recombinan para emitirluz en la banda prohibida del diselenuro de molibdeno. Por esa razón, diseñar las bandas prohibidas de los sistemas monocapa puede permitir la generación de luz con muchos colores diferentes, así como permitir otras aplicaciones como transistores y sensores, dijo Mahjouri-Samani.
A continuación, los investigadores verán si su método de conversión y vaporización con láser pulsado funcionará con átomos distintos al azufre y el selenio. "Estamos tratando de hacer sistemas más complejos en un plano 2D: integrar más ingredientes, colocar diferentes bloques de construcción"porque al final del día, un dispositivo de trabajo completo necesita diferentes semiconductores y metales y aislantes", dijo Mahjouri-Samani.
Para comprender el proceso de convertir un cristal de espesor nanométrico en otro, los investigadores utilizaron potentes capacidades de microscopía electrónica disponibles en ORNL, especialmente microscopía electrónica de transmisión de exploración de contraste Z de resolución atómica, que se desarrolló en el laboratorio y ahora está disponible paracientíficos de todo el mundo que usan el Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase. Empleando esta técnica, los microscopistas electrónicos Andrew Lupini y el científico visitante Leonardo Basile tomaron imágenes de redes hexagonales de columnas individuales de átomos en el diselenuro de molibdeno de espesor nanométrico y cristales de disulfuro de molibdeno.
"Podríamos distinguir directamente entre los átomos de azufre y selenio por sus intensidades en la imagen", dijo Lupini. "Estas imágenes y la espectroscopía de pérdida de energía electrónica permitieron al equipo caracterizar la heterounión de semiconductores con precisión atómica".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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