09 ago 2023 (Noticias de Nanowerk) A la próxima generación de materiales semiconductores 2D no le gusta lo que ve cuando se mira en el espejo. Los enfoques de síntesis actuales para hacer nanoláminas de una sola capa de material semiconductor para electrónica atómicamente delgada desarrollan un defecto peculiar de "gemelo espejo" cuando el material se deposita en 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. Este es un problema, según los investigadores de la Plataforma de Innovación de Materiales del Consorcio de Cristal Bidimensional de Penn State (2DCC-MIP) y sus colaboradores. Los electrones se dispersan cuando llegan al límite, lo que reduce el rendimiento de dispositivos como los transistores. Este es un cuello de botella, dijeron los investigadores, para el avance de la electrónica de próxima generación para aplicaciones como Internet de las Cosas y inteligencia artificial. Pero ahora, el equipo de investigación puede haber encontrado una solución para corregir este defecto.
Un equipo de investigadores dirigidos por Penn State descubrió que los pasos a escala atómica en sustratos de zafiro permiten la alineación de cristales 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. (Imagen: Jennifer McCann, Penn State) Publicaron su trabajo en Naturaleza Nanotecnología (“Ingeniería de pasos para control de orientación de dominio y nucleación en WSe2 epitaxia en zafiro del plano c”).
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 CHIPS y la Ley de Ciencias aprobada el pasado año. año. La autorización de la legislación aumentó la financiación y otros recursos para impulsar los esfuerzos de los Estados Unidos para incorporar la producción y el desarrollo de tecnología de semiconductores.
Una lámina de una sola capa de diseleniuro de tungsteno, de solo tres átomos de espesor, sería un semiconductor atómicamente delgado altamente efectivo para controlar y manipular el flujo de corriente eléctrica, según Redwing. Para hacer la nanolámina, los investigadores utilizan la deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD), una tecnología de fabricación de semiconductores que se utiliza para depositar capas ultrafinas de un solo cristal sobre un sustrato, en este caso, una oblea de zafiro.
Si bien MOCVD se usa 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 diselenuro de tungsteno pertenece a una clase de materiales llamados dicalcogenuros de metales de transición que tienen tres átomos de espesor, 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, usamos 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 en el sustrato de zafiro. A medida que los cristales orientados de manera opuesta aumentan de tamaño, finalmente se encuentran entre sí en la superficie del zafiro para formar el límite del espejo gemelo”. Para resolver este problema y lograr que la mayoría de los cristales de diseleniuro de tungsteno se alinearan con los cristales de zafiro, los investigadores aprovecharon los "pasos" 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 un mero átomo o dos de altura con áreas planas entre cada escalón.
Aquí, dijo Redwing, los investigadores encontraron la fuente sospechosa del defecto del espejo.
El escalón en la superficie del cristal de zafiro es donde los cristales de diseleniuro de tungsteno tienden 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, los defectos de los gemelos de espejo en la capa se reducirán o incluso se eliminarán", dijo Redwing.
Los investigadores descubrieron que al controlar las condiciones del proceso MOCVD, la mayoría de los cristales podían unirse al zafiro en los escalones. Y durante los experimentos, hicieron un descubrimiento adicional: si los cristales se unen 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 lograr que la mayoría de los cristales se adhirieran en el borde superior o inferior de los escalones”, dijo Redwing, acreditando el trabajo experimental realizado por Haoyue Zhu, académico postdoctoral, y Tanushree Choudhury, profesor asistente de investigación. , en 2DCC-MIP. "Esto proporcionaría una forma de reducir significativamente la cantidad de límites de espejos gemelos en las capas". Nadire Nayir, becaria postdoctoral asesorada por el Distinguido Profesor Universitario Adri van Duin, dirigió a los investigadores en el centro 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 se adhiere a la parte superior o inferior borde de los escalones. Teorizaron que si la superficie del zafiro estaba cubierta con átomos de selenio, se unirían al borde inferior de los escalones; si el zafiro está solo parcialmente cubierto, de modo que el borde inferior del escalón carece del átomo de selenio, entonces los cristales se unen a la parte superior.
Para confirmar esta teoría, los investigadores del 2DCC-MIP de Penn State trabajaron con Krystal York, estudiante de posgrado en el grupo de investigación de Steven Durbin, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Western Michigan. Ella contribuyó al estudio como parte del Programa de visitantes académicos residentes de 2DCC-MIP. York aprendió a hacer crecer películas delgadas de diseleniuro de tungsteno a través de MOCVD mientras usaba instalaciones 2DCC-MIP para la investigación de su tesis doctoral. Sus experimentos ayudaron a confirmar que el método funcionó.
“Mientras realizaba 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 en 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 mejoras adicionales en el rendimiento, así como formas de reducir el consumo de energía de la electrónica”, dijo Redwing.
Un equipo de investigadores dirigidos por Penn State descubrió que los pasos a escala atómica en sustratos de zafiro permiten la alineación de cristales 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. (Imagen: Jennifer McCann, Penn State) Publicaron su trabajo en Naturaleza Nanotecnología (“Ingeniería de pasos para control de orientación de dominio y nucleación en WSe2 epitaxia en zafiro del plano c”).
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 CHIPS y la Ley de Ciencias aprobada el pasado año. año. La autorización de la legislación aumentó la financiación y otros recursos para impulsar los esfuerzos de los Estados Unidos para incorporar la producción y el desarrollo de tecnología de semiconductores.
Una lámina de una sola capa de diseleniuro de tungsteno, de solo tres átomos de espesor, sería un semiconductor atómicamente delgado altamente efectivo para controlar y manipular el flujo de corriente eléctrica, según Redwing. Para hacer la nanolámina, los investigadores utilizan la deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD), una tecnología de fabricación de semiconductores que se utiliza para depositar capas ultrafinas de un solo cristal sobre un sustrato, en este caso, una oblea de zafiro.
Si bien MOCVD se usa 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 diselenuro de tungsteno pertenece a una clase de materiales llamados dicalcogenuros de metales de transición que tienen tres átomos de espesor, 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, usamos 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 en el sustrato de zafiro. A medida que los cristales orientados de manera opuesta aumentan de tamaño, finalmente se encuentran entre sí en la superficie del zafiro para formar el límite del espejo gemelo”. Para resolver este problema y lograr que la mayoría de los cristales de diseleniuro de tungsteno se alinearan con los cristales de zafiro, los investigadores aprovecharon los "pasos" 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 un mero átomo o dos de altura con áreas planas entre cada escalón.
Aquí, dijo Redwing, los investigadores encontraron la fuente sospechosa del defecto del espejo.
El escalón en la superficie del cristal de zafiro es donde los cristales de diseleniuro de tungsteno tienden 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, los defectos de los gemelos de espejo en la capa se reducirán o incluso se eliminarán", dijo Redwing.
Los investigadores descubrieron que al controlar las condiciones del proceso MOCVD, la mayoría de los cristales podían unirse al zafiro en los escalones. Y durante los experimentos, hicieron un descubrimiento adicional: si los cristales se unen 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 lograr que la mayoría de los cristales se adhirieran en el borde superior o inferior de los escalones”, dijo Redwing, acreditando el trabajo experimental realizado por Haoyue Zhu, académico postdoctoral, y Tanushree Choudhury, profesor asistente de investigación. , en 2DCC-MIP. "Esto proporcionaría una forma de reducir significativamente la cantidad de límites de espejos gemelos en las capas". Nadire Nayir, becaria postdoctoral asesorada por el Distinguido Profesor Universitario Adri van Duin, dirigió a los investigadores en el centro 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 se adhiere a la parte superior o inferior borde de los escalones. Teorizaron que si la superficie del zafiro estaba cubierta con átomos de selenio, se unirían al borde inferior de los escalones; si el zafiro está solo parcialmente cubierto, de modo que el borde inferior del escalón carece del átomo de selenio, entonces los cristales se unen a la parte superior.
Para confirmar esta teoría, los investigadores del 2DCC-MIP de Penn State trabajaron con Krystal York, estudiante de posgrado en el grupo de investigación de Steven Durbin, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Western Michigan. Ella contribuyó al estudio como parte del Programa de visitantes académicos residentes de 2DCC-MIP. York aprendió a hacer crecer películas delgadas de diseleniuro de tungsteno a través de MOCVD mientras usaba instalaciones 2DCC-MIP para la investigación de su tesis doctoral. Sus experimentos ayudaron a confirmar que el método funcionó.
“Mientras realizaba 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 en 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 mejoras adicionales en el rendimiento, así como formas de reducir el consumo de energía de la electrónica”, dijo Redwing.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63482.php
