В соответствии с законом Мура количество транзисторов на микрочипе ежегодно удваивается с 1960-х годов, но ожидается, что этот рост достигнет своего предела, поскольку кремний, основа современных транзисторов, теряет свои электрические свойства, когда устройства, изготовленные из него, становятся меньше определенного размера.
Ключем к дальнейшему прогрессу могут стать 2D-материалы — тонкие двумерные листы идеальных кристаллов толщиной с один атом. В нанометровом масштабе двумерные материалы могут проводить электроны гораздо эффективнее, чем кремний. Поэтому поиск транзисторных материалов следующего поколения был сосредоточен на 2D-материалах как на потенциальных преемниках кремния.
Но прежде чем электронная промышленность сможет перейти на 2D-материалы, ученые должны найти способ создавать материалы на стандартных кремниевых пластинах, сохраняя при этом их идеальную кристаллическую форму. И у инженеров Массачусетского технологического института теперь может быть решение.
Команда разработала метод, который может позволить производителям чипов изготавливать все более мелкие транзисторы из 2D-материалов, выращивая их на существующих пластинах из кремния и других материалов. Новый метод представляет собой форму неэпитаксиального монокристаллического роста», которую команда впервые применила для выращивания чистых, бездефектных 2D-материалов на промышленных кремниевых пластинах.
С помощью своего метода команда изготовила простой функциональный транзистор из двумерных материалов, называемых дихалькогенидами переходных металлов, или ДПМ, которые, как известно, проводят электричество лучше, чем кремний в нанометровых масштабах.
Для создания 2D-материала исследователи обычно использовали ручной процесс, при котором чешуйки толщиной в атом аккуратно отделяются от сыпучего материала, подобно тому, как счищаются слои луковицы.
Но большинство сыпучих материалов являются поликристаллическими (содержащими несколько кристаллов) которые растут в произвольном направлении. Там, где один кристалл встречается с другим, "граница зерен" действует как электрический барьер. Любые электроны, протекающие через один кристалл, внезапно останавливаются при встрече с кристаллом другой ориентации, снижая проводимость материала. Даже после отшелушивания 2D-чешуи исследователи должны затем искать в ней монокристаллические области — утомительный и трудоемкий процесс, который трудно применить в промышленных масштабах.
Новый неэпитаксиальный, монокристаллический рост, разработанный учеными, не требует отслаивания и поиска чешуек 2D-материала. Вместо этого исследователи используют обычные методы осаждения из паровой фазы для прокачки атомов через кремниевую пластину. Атомы в конечном итоге оседают на пластине и зарождаются, превращаясь в двумерные кристаллы. Если оставить их в покое, каждое "ядро" или зародыш кристалла будет расти в случайных ориентациях по всей кремниевой пластине. Но Ким и его коллеги нашли способ выровнять каждый растущий кристалл, чтобы создать монокристаллические области по всей пластине.
Для этого они сначала покрыли кремниевую пластину "маской" — покрытием из диоксида кремния, которое они сформировали в виде крошечных карманов, каждый из которых предназначен для улавливания зародыша кристалла. Затем через замаскированную пластину они пропускали газ из атомов, которые оседали в каждом кармане, образуя двумерный материал — в данном случае TMD. Карманы маски собирали атомы и побуждали их собираться на кремниевой пластине в той же монокристаллической ориентации.
Используя свой метод маскирования, команда изготовила простой TMD-транзистор и показала, что его электрические характеристики так же хороши, как и у чистой чешуйки из того же материала.
Они также применили этот метод для разработки многослойного устройства. После покрытия кремниевой пластины узорчатой маской они вырастили один тип 2D-материала, чтобы заполнить половину каждого квадрата, а затем нарастили второй тип 2D-материала поверх первого слоя, чтобы заполнить остальные квадраты. Результатом стала ультратонкая монокристаллическая двухслойная структура внутри каждого квадрата. Ким говорит, что в будущем несколько 2D-материалов можно будет выращивать и складывать вместе таким образом, чтобы создавать ультратонкие, гибкие и многофункциональные пленки.