Espejito, espejito, ¿quién es el semiconductor más eficiente de todos?

Un equipo de investigadores dirigido por Penn State ha descubierto que los pasos a escala atómica sobre sustratos de zafiro permiten la alineación cristalina de materiales 2D durante la fabricación de semiconductores. La manipulación de estos materiales durante la síntesis puede reducir los defectos y mejorar el rendimiento de los dispositivos electrónicos. Crédito: Jennifer McCann/Penn State/Penn State. Reservados todos los derechos.

3 de agosto de 2023

Por Jamie Oberdick

UNVERSITY PARK, Pensilvania — A la próxima generación de materiales semiconductores 2D no le gusta lo que ve cuando se mira en el espejo. Los métodos actuales de síntesis para fabricar nanohojas monocapa de material semiconductor para componentes electrónicos atómicamente delgados desarrollan un peculiar defecto de "espejo gemelo" cuando el material se deposita sobre sustratos monocristalinos como el zafiro. La nanohoja sintetizada contiene límites de grano que actúan como un espejo, con la disposición de los átomos en cada lado organizados en oposición reflejada entre sí.

Esto es un problema, según investigadores de la Plataforma de Innovación de Materiales y Consorcio de Cristal Bidimensional de Penn State (2DCC-MIP) y sus colaboradores. Los electrones se dispersan cuando alcanzan el límite, lo que reduce el rendimiento de dispositivos como los transistores. Según los investigadores, este es un cuello de botella para el avance de la electrónica de próxima generación para aplicaciones como Internet de las cosas y la inteligencia artificial. Pero ahora, es posible que el equipo de investigación haya encontrado una solución para corregir este defecto. Publicaron su trabajo en Nature Nanotechnology.

Este estudio podría tener un impacto significativo en la investigación de semiconductores al permitir que otros investigadores reduzcan los defectos de los gemelos espejo, según la autora principal Joan Redwing, directora de 2DCC-MIP, especialmente porque el campo ha aumentado la atención y la financiación de la Ley CHIPS y Ciencia aprobada el pasado año. año. La autorización de la legislación aumentó la financiación y otros recursos para impulsar los esfuerzos de Estados Unidos para llevar a cabo la producción y el desarrollo de tecnología de semiconductores.

Según Redwing, una lámina de una sola capa de diseleniuro de tungsteno (de sólo tres átomos de espesor) constituiría un semiconductor atómicamente delgado y muy eficaz para controlar y manipular el flujo de corriente eléctrica. Para fabricar la nanohoja, los investigadores utilizan la deposición química de vapor orgánico metálico (MOCVD), una tecnología de fabricación de semiconductores que se utiliza para depositar capas monocristalinas ultrafinas sobre un sustrato, en este caso una oblea de zafiro.

Si bien MOCVD se utiliza en la síntesis de otros materiales, los investigadores de 2DCC-MIP fueron pioneros en su uso para la síntesis de semiconductores 2D como el diseleniuro de tungsteno, dijo Redwing. El diseleniuro de tungsteno pertenece a una clase de materiales llamados dicalcogenuros de metales de transición que tienen un espesor de tres átomos, con el metal de tungsteno intercalado entre átomos de seleniuro no metálicos, que manifiesta propiedades semiconductoras deseables para la electrónica avanzada.

"Para lograr láminas de una sola capa con un alto grado de perfección cristalina, utilizamos obleas de zafiro como plantilla para alinear los cristales de diseleniuro de tungsteno a medida que se depositan mediante MOCVD en la superficie de la oblea", dijo Redwing, quien también es un distinguido profesor de materiales. ciencia e ingeniería y de ingeniería eléctrica en Penn State. “Sin embargo, los cristales de diseleniuro de tungsteno pueden alinearse en direcciones opuestas sobre el sustrato de zafiro. A medida que los cristales orientados de manera opuesta crecen en tamaño, finalmente se encuentran entre sí en la superficie del zafiro para formar el límite del espejo gemelo”.

Para resolver este problema y conseguir que la mayoría de los cristales de diseleniuro de tungsteno se alinearan con los cristales de zafiro, los investigadores aprovecharon los "escalones" en la superficie del zafiro. El monocristal de zafiro que forma la oblea es muy perfecto en términos físicos; sin embargo, no es perfectamente plano a nivel atómico. Hay escalones en la superficie que tienen uno o dos átomos de altura con áreas planas entre cada escalón.

Aquí, dijo Redwing, los investigadores encontraron la fuente sospechosa del defecto del espejo.

El escalón sobre la superficie del cristal de zafiro es donde los cristales de diseleniuro de tungsteno tendían a adherirse, pero no siempre. La alineación del cristal cuando se unía a los escalones tendía a ser en una sola dirección.

"Si todos los cristales se pueden alinear en la misma dirección, entonces los defectos de espejo gemelo en la capa se reducirán o incluso eliminarán", dijo Redwing.

Los investigadores descubrieron que al controlar las condiciones del proceso MOCVD, se podía hacer que la mayoría de los cristales se adhirieran al zafiro en los escalones. Y durante los experimentos, hicieron un descubrimiento adicional: si los cristales se adhieren en la parte superior del escalón, se alinean en una dirección cristalográfica; si se unen en la parte inferior, se alinean en la dirección opuesta.

"Descubrimos que era posible conseguir que la mayoría de los cristales se adhirieran al borde superior o inferior de los escalones", dijo Redwing, acreditando el trabajo experimental realizado por Haoyue Zhu, becario postdoctoral, y Tanushree Choudhury, profesor asistente de investigación. , en 2DCC-MIP. "Esto proporcionaría una manera de reducir significativamente la cantidad de límites de espejos gemelos en las capas".

Nadire Nayir, académica postdoctoral tutelada por el distinguido profesor universitario Adri van Duin, dirigió a los investigadores de las instalaciones de teoría/simulación 2DCC-MIP para desarrollar un modelo teórico de la estructura atómica de la superficie del zafiro para explicar por qué el diseleniuro de tungsteno está adherido a la parte superior o inferior. borde de los escalones. Teorizaron que si la superficie del zafiro estuviera cubierta con átomos de selenio, se adherirían al borde inferior de los escalones; Si el zafiro está sólo parcialmente cubierto de modo que el borde inferior del escalón carece de átomo de selenio, entonces los cristales se unen a la parte superior.

Para confirmar esta teoría, los investigadores de Penn State 2DCC-MIP trabajaron con Krystal York, una estudiante de posgrado en el grupo de investigación de Steven Durbin, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Western Michigan. Ella contribuyó al estudio como parte del Programa de visitantes académicos residentes de 2DCC-MIP. York aprendió a cultivar películas delgadas de diseleniuro de tungsteno mediante MOCVD mientras utilizaba las instalaciones 2DCC-MIP para la investigación de su tesis doctoral. Sus experimentos ayudaron a confirmar que el método funcionaba.

"Mientras llevaba a cabo estos experimentos, Krystal observó que la dirección de los dominios de diseleniuro de tungsteno en el zafiro cambiaba cuando variaba la presión en el reactor MOCVD", dijo Redwing. "Esta observación experimental proporcionó la verificación del modelo teórico que se desarrolló para explicar la ubicación de unión de los cristales de diseleniuro de tungsteno en los escalones de la oblea de zafiro".

Las muestras de diseleniuro de tungsteno a escala de oblea sobre zafiro producidas mediante este novedoso proceso MOCVD están disponibles para investigadores fuera de Penn State a través del programa de usuario 2DCC-MIP.

"Aplicaciones como la inteligencia artificial y el Internet de las cosas requerirán más mejoras en el rendimiento, así como formas de reducir el consumo de energía de la electrónica", dijo Redwing. "Los semiconductores 2D de alta calidad basados ​​en diseleniuro de tungsteno y materiales relacionados son materiales importantes que desempeñar un papel en la electrónica de próxima generación”.

Otros autores del artículo incluyen a Anushka Bansal, Benjamin Huet, Kunyan Zhang, Saiphaneendra Bachu, Thomas V. McKnight, Nicholas Trainor, Aaryan Oberoi, Ke Wang, Saptarshi Das, Shengxi Huang, Nasim Alem y Vincent H. Crespi, todos de Penn State; Alexander A. Puretzky, Laboratorio Nacional Oak Ridge; y Robert A. Makin, Universidad de Western Michigan.

La Fundación Nacional de Ciencias brindó apoyo para este trabajo a través del 2DCC-MIP.

Jamie Oberdick

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