Los investigadores integran de forma segura materiales 2D frágiles en dispositivos
Los materiales bidimensionales, que tienen sólo unos pocos átomos de espesor, pueden exhibir algunas 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 dañarse con técnicas de fabricación convencionales, 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 de otros lugares han desarrollado una nueva técnica para integrar materiales 2D en dispositivos en un solo paso manteniendo las superficies de los materiales y las interfaces resultantes impecables y libres de defectos.
Su método se basa en la ingeniería de fuerzas superficiales disponibles a nanoescala para permitir que el material 2D se apile físicamente en otras capas de dispositivos prediseñados. Como el material 2D no sufre daños, los investigadores pueden aprovechar al máximo sus propiedades ópticas y eléctricas únicas.
Utilizaron este enfoque para fabricar conjuntos de transistores 2D que lograron nuevas funcionalidades en comparación con los dispositivos producidos mediante técnicas de fabricación convencionales. 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.
MIT: Las diversas fuerzas superficiales disponibles a nanoescala permiten a los investigadores adaptar la transferencia de la matriz adhesiva a muchos materiales diferentes. Por ejemplo, aquí, mediante el uso de polímeros adhesivos, pueden transferir grafeno estampado, una lámina de carbono de un átomo de espesor, desde un sustrato fuente (imagen superior) a un polímero adhesivo receptor (imagen inferior).
Imagen: Cortesía del Grupo Niroui
Lo fundamental para desbloquear estas nuevas funcionalidades es la capacidad de formar interfaces limpias, mantenidas unidas por fuerzas especiales que existen entre toda la materia, 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 en Electrónica (RLE). y autor principal de un nuevo artículo que describe el trabajo.
«La integración de Van der Waals tiene un límite fundamental», explica. “Dado que estas fuerzas dependen de las propiedades intrínsecas de los materiales, no pueden ajustarse fácilmente. Como resultado, hay algunos materiales que no se pueden integrar directamente entre sí utilizando únicamente sus interacciones de Van der Waals. Hemos ideado una plataforma para abordar este límite y ayudar a que la integración de Van der Waals sea más versátil, para 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 se publicada hoy en Nature Electronics.
Atracción ventajosa
Crear sistemas complejos, como un chip de computadora, con técnicas de fabricación convencionales puede resultar complicado. Por lo general, un material rígido como el silicio se cincela hasta la nanoescala y luego se interconecta con otros componentes como electrodos metálicos y capas aislantes para formar un dispositivo activo. Este tipo de procesamiento puede causar daños a los materiales.
Recientemente, los investigadores se han centrado en construir dispositivos y sistemas de abajo hacia arriba, utilizando materiales 2D y un proceso que requiere apilamiento físico secuencial. En este enfoque, en lugar de utilizar pegamentos químicos o altas temperaturas para unir un material 2D frágil a una superficie convencional como el silicio, los investigadores aprovechan las fuerzas de Van der Waals para integrar físicamente una capa de material 2D en un dispositivo.
Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas naturales de atracción 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 exhiben una 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 conocido como disulfuro de molibdeno se adherirá al oro, un metal, pero no se transferirá directamente a aislantes como el dióxido de silicio con solo entrar en contacto físico con esa superficie.
Sin embargo, las heteroestructuras creadas mediante la integración de capas semiconductoras y aislantes son componentes clave de un dispositivo electrónico. Anteriormente, esta integración se permitía uniendo el material 2D a una capa intermedia como el oro, luego usando esta capa intermedia para transferir el material 2D al aislante, antes de retirar la capa intermedia usando 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 es lo que hace que el material 2D se adhiera a la superficie incrustada de baja adherencia, proporcionando las fuerzas necesarias para crear una interfaz de Van der Waals entre el material 2D y el aislante.
haciendo la matriz
Para fabricar dispositivos electrónicos, forman una superficie híbrida de metales y aislantes sobre un sustrato portador. Luego, esta superficie se despega y se voltea para revelar una superficie superior completamente lisa que contiene los componentes básicos del dispositivo deseado.
Esta suavidad es importante, ya que los espacios entre la superficie y el material 2D pueden obstaculizar las interacciones de Van der Waals. Luego, los investigadores preparan el material 2D por separado, en un ambiente 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 recoger la capa 2D e integrarla con la superficie. De esta manera, permitimos una 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 fundamentales de rendimiento sin verse frenado por defectos o contaminación.
Y como las superficies también permanecen impecables, los investigadores pueden diseñar la superficie del material 2D para formar características o conexiones con otros componentes. Por ejemplo, utilizaron esta técnica para crear 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 realizar a escala para crear conjuntos más grandes de dispositivos. La técnica de la matriz adhesiva también se puede utilizar con una variedad de materiales e incluso con otras fuerzas para mejorar la versatilidad de esta plataforma. Por ejemplo, los investigadores integraron grafeno en un dispositivo, formando las interfaces de van der Waals deseadas utilizando una matriz hecha con un polímero. En este caso, la adhesión se basa en interacciones químicas y no únicamente 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.
Esta investigación está financiada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., el Departamento de Energía de EE. UU., la beca interdisciplinaria BUnano de la Universidad de Boston y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Los procedimientos de fabricación y caracterización se llevaron a cabo, en gran parte, en las instalaciones compartidas del MIT.nano.
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