Miroir, miroir, qui est le semi-conducteur le plus efficace de tous ?

Une équipe de chercheurs dirigée par Penn State a découvert que des étapes à l'échelle atomique sur des substrats en saphir permettent l'alignement cristallin de matériaux 2D lors de la fabrication de semi-conducteurs. La manipulation de ces matériaux pendant la synthèse peut réduire les défauts et améliorer les performances des appareils électroniques. Crédit : Jennifer McCann/Penn State/Penn State. Tous droits réservés.

3 août 2023

Par Jamie Oberdick

UNVERSITY PARK, Pennsylvanie — La prochaine génération de matériaux semi-conducteurs 2D n'aime pas ce qu'elle voit lorsqu'elle se regarde dans le miroir. Les approches de synthèse actuelles visant à fabriquer des nanofeuilles monocouches de matériau semi-conducteur pour l’électronique atomiquement mince développent un défaut particulier de « jumeau miroir » lorsque le matériau est déposé sur des substrats monocristallins comme le saphir. La nanofeuille synthétisée contient des joints de grains qui agissent comme un miroir, la disposition des atomes de chaque côté étant organisée en opposition réfléchie les uns par rapport aux autres.

Il s’agit d’un problème, selon les chercheurs de la plateforme d’innovation en matériaux du Consortium de cristaux bidimensionnels (2DCC-MIP) de Penn State et leurs collaborateurs. Les électrons se dispersent lorsqu’ils atteignent la limite, réduisant ainsi les performances des dispositifs tels que les transistors. Selon les chercheurs, il s’agit d’un goulot d’étranglement pour le progrès de l’électronique de nouvelle génération pour des applications telles que l’Internet des objets et l’intelligence artificielle. Mais maintenant, l’équipe de recherche a peut-être trouvé une solution pour corriger ce défaut. Ils ont publié leurs travaux dans Nature Nanotechnology.

Cette étude pourrait avoir un impact significatif sur la recherche sur les semi-conducteurs en permettant à d'autres chercheurs de réduire les défauts des jumeaux miroirs, selon l'auteur principal Joan Redwing, directrice du 2DCC-MIP, d'autant plus que le domaine a bénéficié d'une attention et d'un financement accrus de la part des CHIPS et de la Science Act approuvés en dernier lieu. année. L'autorisation de la législation a augmenté le financement et d'autres ressources pour stimuler les efforts américains visant à délocaliser la production et le développement de la technologie des semi-conducteurs.

Une feuille monocouche de diséléniure de tungstène – d’une épaisseur de seulement trois atomes – constituerait un semi-conducteur atomiquement mince et très efficace pour contrôler et manipuler le flux de courant électrique, selon Redwing. Pour fabriquer la nanofeuille, les chercheurs utilisent le dépôt chimique organique en phase vapeur (MOCVD), une technologie de fabrication de semi-conducteurs utilisée pour déposer des couches monocristallines ultra-minces sur un substrat, en l'occurrence une plaquette de saphir.

Alors que le MOCVD est utilisé dans la synthèse d'autres matériaux, les chercheurs du 2DCC-MIP ont été les premiers à l'utiliser pour la synthèse de semi-conducteurs 2D tels que le diséléniure de tungstène, a déclaré Redwing. Le diséléniure de tungstène appartient à une classe de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition qui ont une épaisseur de trois atomes, le métal tungstène étant pris en sandwich entre des atomes de séléniure non métalliques, qui manifestent des propriétés semi-conductrices souhaitables pour l'électronique avancée.

"Pour obtenir des feuilles monocouches avec un haut degré de perfection cristalline, nous avons utilisé des tranches de saphir comme modèle pour aligner les cristaux de diséléniure de tungstène lorsqu'ils se déposent par MOCVD sur la surface de la tranche", a déclaré Redwing, qui est également un éminent professeur de matériaux. science et ingénierie et génie électrique à Penn State. « Cependant, les cristaux de diséléniure de tungstène peuvent s’aligner dans des directions opposées sur le substrat saphir. À mesure que les cristaux d’orientation opposée grossissent, ils finissent par se rejoindre sur la surface du saphir pour former la frontière du jumeau miroir.

Pour résoudre ce problème et aligner la plupart des cristaux de diséléniure de tungstène avec les cristaux de saphir, les chercheurs ont profité de « marches » sur la surface du saphir. Le monocristal de saphir qui constitue la plaquette est très parfait en termes physiques ; cependant, il n’est pas parfaitement plat au niveau atomique. Il y a des marches sur la surface qui ne mesurent qu'un atome ou deux de hauteur avec des zones plates entre chaque marche.

Ici, a déclaré Redwing, les chercheurs ont trouvé la source présumée du défaut du miroir.