A próxima geração de materiais semicondutores 2D não gosta do que vê quando se olha no espelho. As abordagens de síntese atuais para fazer nanofolhas de camada única de material semicondutor para eletrônicos atomicamente finos desenvolvem um defeito peculiar de "gêmeo de espelho" quando o material é depositado em substratos de cristal único como a safira. A nanofolha sintetizada contém contornos de grãos que atuam como um espelho, com o arranjo de átomos de cada lado organizado em oposição refletida um ao outro.

Isso é um problema, de acordo com pesquisadores da Plataforma de Inovação de Materiais de Consórcio de Cristais Bidimensionais da Penn State (2DCC-MIP) e seus colaboradores. Os elétrons se espalham quando atingem o limite, reduzindo o desempenho de dispositivos como transistores. Este é um gargalo, disseram os pesquisadores, para o avanço da eletrônica de próxima geração para aplicações como Internet das Coisas e inteligência artificial. Mas agora, a equipe de pesquisa pode ter encontrado uma solução para corrigir esse defeito. Eles publicaram seu trabalho na Nature Nanotechnology .

Este estudo pode ter um impacto significativo na pesquisa de semicondutores, permitindo que outros pesquisadores reduzam os defeitos de gêmeos espelhados, de acordo com a principal autora Joan Redwing, diretora do 2DCC-MIP, especialmente porque o campo aumentou a atenção e o financiamento do CHIPS e do Science Act aprovado no passado ano. A autorização da legislação aumentou o financiamento e outros recursos para impulsionar os esforços da América para onshore a produção e desenvolvimento de tecnologia de semicondutores.

Uma folha de disseleneto de tungstênio de camada única - com apenas três átomos de espessura - seria um semicondutor altamente eficaz e atomicamente fino para controlar e manipular o fluxo de corrente elétrica, de acordo com Redwing. Para fazer a nanofolha, os pesquisadores usam a deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD), uma tecnologia de fabricação de semicondutores que é usada para depositar camadas ultrafinas de cristal único em um substrato, neste caso, uma bolacha de safira.

Embora o MOCVD seja usado na síntese de outros materiais, os pesquisadores do 2DCC-MIP foram os pioneiros em seu uso para a síntese de semicondutores 2D, como disseleneto de tungstênio, disse Redwing. O disseleneto de tungstênio pertence a uma classe de materiais chamados dicalcogenetos de metais de transição que têm três átomos de espessura, com o metal de tungstênio entre os átomos de seleneto não metálico, que manifesta propriedades semicondutoras desejáveis ??para eletrônicos avançados.

"Para obter folhas de camada única com um alto grau de perfeição cristalina, usamos bolachas de safira como modelo para alinhar os cristais de disseleneto de tungstênio à medida que se depositam por MOCVD na superfície da bolacha", disse Redwing, que também é um distinto professor de materiais ciência e engenharia e de engenharia elétrica na Penn State. "No entanto, os cristais de disseleneto de tungstênio podem se alinhar em direções opostas no substrato de safira. À medida que os cristais de orientação oposta crescem em tamanho, eles acabam se encontrando na superfície de safira para formar o limite do espelho gêmeo".

Para resolver esse problema e fazer com que a maioria dos cristais de disseleneto de tungstênio se alinhem com os cristais de safira, os pesquisadores aproveitaram "etapas" na superfície da safira. O único cristal de safira que compõe a bolacha é altamente perfeito em termos físicos; no entanto, não é perfeitamente plano no nível atômico. Existem degraus na superfície que têm apenas um ou dois átomos de altura, com áreas planas entre cada degrau.

Aqui, disse Redwing, os pesquisadores encontraram a fonte suspeita do defeito do espelho.

O degrau na superfície do cristal de safira é onde os cristais de disseleneto de tungstênio tendem a se fixar, mas nem sempre. O alinhamento do cristal quando ligado aos degraus tendia a ser em uma única direção.

"Se todos os cristais puderem ser alinhados na mesma direção, os defeitos de espelho gêmeo na camada serão reduzidos ou até eliminados", disse Redwing.

Os pesquisadores descobriram que, ao controlar as condições do processo MOCVD, a maioria dos cristais poderia ser ligada à safira nas etapas. E durante os experimentos, eles fizeram uma descoberta extra: se os cristais se prendem no topo do degrau, eles se alinham em uma direção cristalográfica; se eles se encaixarem na parte inferior, eles se alinham na direção oposta.

"Descobrimos que era possível prender a maioria dos cristais na borda superior ou inferior dos degraus", disse Redwing, creditando o trabalho experimental realizado por Haoyue Zhu, bolsista de pós-doutorado, e Tanushree Choudhury, professor assistente de pesquisa. , em 2DCC-MIP. “Isso forneceria uma maneira de reduzir significativamente o número de limites de espelhos gêmeos nas camadas”.

Nadire Nayir, uma estudiosa de pós-doutorado orientada pelo ilustre professor da Universidade Adri van Duin, liderou pesquisadores na instalação de Teoria/Simulação 2DCC-MIP para desenvolver um modelo teórico da estrutura atômica da superfície de safira para explicar por que o disseleneto de tungstênio ligado à parte superior ou inferior beira dos degraus. Eles teorizaram que, se a superfície da safira fosse coberta com átomos de selênio, eles se prenderiam à borda inferior dos degraus; se a safira estiver apenas parcialmente coberta de modo que a borda inferior do degrau não tenha átomo de selênio, então os cristais presos ao topo.

Para confirmar essa teoria, os pesquisadores do Penn State 2DCC-MIP trabalharam com Krystal York, uma estudante de pós-graduação no grupo de pesquisa de Steven Durbin, professor de engenharia elétrica e de computação na Western Michigan University. Ela contribuiu para o estudo como parte do Programa de Visitantes Acadêmicos Residentes do 2DCC-MIP. York aprendeu a cultivar filmes finos de disseleneto de tungstênio via MOCVD enquanto usava instalações 2DCC-MIP para sua pesquisa de tese de doutorado. Seus experimentos ajudaram a confirmar que o método funcionava.

“Ao realizar esses experimentos, Krystal observou que a direção dos domínios de disseleneto de tungstênio na safira mudou quando ela variou a pressão no reator MOCVD”, disse Redwing. “Esta observação experimental forneceu a verificação do modelo teórico que foi desenvolvido para explicar a localização de fixação de cristais de disseleneto de tungstênio em etapas na bolacha de safira”.

Amostras de disseleneto de tungstênio em escala de wafer em safira produzidas usando este novo processo MOCVD estão disponíveis para pesquisadores fora da Penn State por meio do programa de usuário 2DCC-MIP.

“Aplicações como inteligência artificial e a Internet das Coisas exigirão mais melhorias de desempenho, bem como formas de reduzir o consumo de energia de eletrônicos”, disse Redwing. "Semicondutores 2D de alta qualidade baseados em disseleneto de tungstênio e materiais relacionados são materiais importantes que desempenharão um papel na eletrônica da próxima geração."