Tin tức Vũ trụ TV

Một bước nhỏ cho các nguyên tử nhưng lại là một bước nhảy vọt cho vi điện tử

Ngày:
Th3 05, 2020
Tóm lược:

Trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu báo cáo về việc tạo ra các tấm tinh thể boron nitride hình lục giác lớn được quảng cáo là chất cách điện quan trọng trong thiết bị điện tử hai chiều trong tương lai.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Từng bước, các nhà khoa học đang tìm ra những cách mới để mở rộng Định luật Moore. Mới nhất cho thấy một con đường hướng tới các mạch tích hợp với bóng bán dẫn hai chiều.

Một nhà khoa học của Đại học Rice và các cộng tác viên của ông ở Đài Loan và Trung Quốc đã báo cáo trên tờ Nature rằng họ đã trồng thành công các tấm boron nitride hình lục giác dày (hBN) dưới dạng tinh thể đường kính hai inch trên một tấm wafer.

Đáng ngạc nhiên, họ đã đạt được mục tiêu tìm kiếm từ lâu là tạo ra các tinh thể hBN, một chất bán dẫn có dải rộng, bằng cách tận dụng sự rối loạn giữa các bước uốn khúc trên đế đồng. Các bước ngẫu nhiên giữ hBN thẳng hàng.

Được đặt trong các con chip như một chất điện môi giữa các lớp bóng bán dẫn nano, hBN ở quy mô wafer sẽ vượt trội trong việc giảm sự tán xạ electron và bẫy làm hạn chế hiệu quả của mạch tích hợp. Nhưng cho đến nay, không ai có thể tạo ra các tinh thể hBN được sắp xếp hoàn hảo đủ lớn – trong trường hợp này, trên một tấm wafer – trở nên hữu ích.

Nhà lý thuyết vật liệu của Trường Kỹ thuật Brown, ông Vladimir Yakobson, là nhà khoa học đồng nghiên cứu với Lain-Jong (Lance) Li của Công ty Sản xuất Chất bán dẫn Đài Loan (TSMC) và nhóm của ông – Yakobson và Chih-Piao Chuu của TSMC đã thực hiện phân tích lý thuyết và tính toán nguyên tắc đầu tiên để làm sáng tỏ các cơ chế của những gì đồng tác giả của họ đã thấy trong các thí nghiệm.

Các nguyên tử của boron và nitride sắp xếp trên một chất nền đồng để tạo ra một tinh thể boron nitride hình lục giác quy mô lớn. Vật liệu có kích thước wafer có thể trở thành một chất cách điện quan trọng trong thiết bị điện tử hai chiều trong tương lai. Minh họa bởi Tạ Đình Phong / TSMC
Các nguyên tử của boron và nitride sắp xếp trên một chất nền đồng để tạo ra một tinh thể boron nitride hình lục giác quy mô lớn. Vật liệu có kích thước wafer có thể trở thành một chất cách điện quan trọng trong thiết bị điện tử hai chiều trong tương lai.
Minh họa bởi Tạ Đình Phong / TSMC

Để chứng minh khái niệm cho sản xuất, các nhà thực nghiệm tại TSMC và Đại học Quốc gia Chiao Tung của Đài Loan đã phát triển một bộ phim 2D hBN hai inch, chuyển nó sang silicon và sau đó đặt một lớp bóng bán dẫn hiệu ứng trường được mô phỏng lên lớp molybdenum 2D trên đỉnh hBN.

Phát hiện chính trong công việc này là có thể đạt được một đơn tinh thể trên một tấm wafer và sau đó họ có thể di chuyển nó. Sau đó, họ có thể tạo ra các thiết bị.

Không có phương pháp hiện tại nào có thể tạo ra các chất điện môi đơn lớp hBN với độ tái lập cực cao trên một tấm wafer, điều này cần thiết cho ngành công nghiệp điện tử. Bài viết này tiết lộ những lý do khoa học tại sao chúng ta có thể đạt được điều này.

Yakobson hy vọng kỹ thuật này cũng có thể áp dụng rộng rãi cho các vật liệu 2D khác với một số thử nghiệm và lỗi. “Tôi nghĩ rằng vật lý cơ bản là khá chung chung,” ông nói. “Boron nitride là một vật liệu lớn cho điện môi nhưng nhiều vật liệu 2D mong muốn như dichalcogenide chuyển tiếp 50 hoặc hơn có cùng các vấn đề về tăng trưởng và chuyển giao, và có thể được hưởng lợi từ những gì chúng tôi đã khám phá.”

Boris Yakobson
Boris Yakobson

Năm 1975, Gordon Moore của Intel dự đoán rằng số lượng bóng bán dẫn trong một mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm. Nhưng khi các kiến ​​trúc mạch tích hợp trở nên nhỏ hơn, với các đường mạch xuống đến vài nanomet, tốc độ tiến bộ rất khó để duy trì.

Khả năng xếp chồng các lớp 2D, mỗi lớp có hàng triệu bóng bán dẫn có thể khắc phục những hạn chế đó nếu chúng có thể được cách ly với nhau. Cách điện hBN là một ứng cử viên chính cho mục đích đó vì khoảng cách dải rộng của nó.

Mặc dù có “hình lục giác” trong tên của nó, các đơn phân tử hBN nhìn từ trên xuống xuất hiện như một sự chồng chất của hai mạng tam giác riêng biệt của các nguyên tử boron và nitơ. Đối với vật liệu để thực hiện đến thông số kỹ thuật, tinh thể hBN phải hoàn hảo; nghĩa là các tam giác phải được kết nối và tất cả các điểm theo cùng một hướng. Các tinh thể không hoàn hảo có ranh giới hạt làm suy giảm các tính chất điện tử của vật liệu.

Để hBN trở nên hoàn hảo, các nguyên tử của nó phải liên kết chính xác với các chất trên bề mặt bên dưới. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng đồng theo cách sắp xếp (111) – con số đề cập đến cách bề mặt tinh thể được định hướng – thực hiện công việc, nhưng chỉ sau khi đồng được ủ ở nhiệt độ cao trên đế sapphire và với sự hiện diện của hydro.

Ủ được loại bỏ ranh giới hạt trong đồng, để lại một tinh thể duy nhất. Tuy nhiên, một bề mặt hoàn hảo như vậy sẽ “quá trơn tru” để thực thi định hướng hBN.

Yakobson đã báo cáo về nghiên cứu vào năm ngoái để phát triển borophene nguyên chất trên bạc (111), và cũng là một dự đoán lý thuyết rằng đồng có thể điều chỉnh hBN nhờ các bước bổ sung trên bề mặt của nó. Bề mặt đồng là phụ – đó là, hơi linh tinh để lộ các bước nguyên tử giữa các sân thượng mở rộng. Bài báo đó đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu công nghiệp ở Đài Loan, người đã tiếp cận giáo sư sau cuộc nói chuyện ở đó năm ngoái.

“Họ nói,” Chúng tôi đã đọc bài viết của bạn “, Yakobson nhớ lại. “‘Chúng tôi thấy điều gì đó kỳ lạ trong các thí nghiệm của mình. Chúng tôi có thể nói chuyện không?’ Đó là cách nó bắt đầu. “

Được thông báo bởi kinh nghiệm trước đó của mình, Yakobson cho rằng biến động nhiệt cho phép đồng (111) giữ lại các ruộng bậc thang giống như bề mặt trên bề mặt của nó, ngay cả khi ranh giới hạt của chính nó bị loại bỏ. Các nguyên tử trong các “bước” uốn khúc này chỉ xuất hiện các năng lượng giao thoa đúng để liên kết và hạn chế hBN, sau đó phát triển theo một hướng trong khi nó gắn vào mặt phẳng đồng thông qua lực van der Waals rất yếu.

Mọi bề mặt đều có các bước nhưng trong công việc trước đó, các bước là trên một bề mặt bên trong được thiết kế cứng, có nghĩa là tất cả đều đi xuống, hoặc tất cả lên. Nhưng trên đồng (111), các bước lên xuống chỉ bằng một hoặc hai nguyên tử được cung cấp bởi nhiệt động lực học cơ bản.

Do định hướng của đồng, các mặt phẳng nguyên tử nằm ngang được bù một phần với mạng bên dưới. Các cạnh bước bề mặt trông giống nhau nhưng chúng không phải là cặp song sinh chính xác. Có sự chồng chéo lớn hơn với lớp bên dưới ở một bên so với ở phía đối diện.

Điều đó làm cho năng lượng liên kết ở mỗi bên của cao nguyên đồng khác nhau một phút 0,23 volt (trên mỗi phần tư nanomet tiếp xúc) đủ để buộc các hạt nhân hBN phát triển theo cùng một hướng.

Các nhà nghiên cứu ở Đài Loan, Trung Quốc và tại Rice đã tạo ra các tấm boron nitride hình lục giác, kích thước hai chiều, như báo cáo trong Tự nhiên. Vật liệu này có thể được loại bỏ khỏi đế đồng của nó và được sử dụng làm chất điện môi cho thiết bị điện tử hai chiều.
Các nhà nghiên cứu ở Đài Loan, Trung Quốc và tại Rice đã tạo ra các tấm boron nitride hình lục giác, kích thước hai chiều, như báo cáo trong Tự nhiên. Vật liệu này có thể được loại bỏ khỏi đế đồng của nó và được sử dụng làm chất điện môi cho thiết bị điện tử hai chiều.

Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy độ dày đồng tối ưu là 500 nanomet đủ để ngăn chặn sự bay hơi của nó trong quá trình tăng trưởng hBN thông qua sự lắng đọng hơi hóa học của boron amoniac trên đế (111) / sapphire.


Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Rice . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.


Tạp chí tham khảo :

  1. Tse-An Chen, Chih-Piao Chuu, Chiến-Chih Tseng, Chao-Kai Wen, H.-S. Philip Wong, Shuangyuan Pan, Rongtan Li, Tzu-Ang Chao, Wei-Chen Chueh, Yanfeng Zhang, Qiang Fu, Boris I. Yakobson, Wen-Hao Chang, Lain-Jong Li. Các đơn lớp boron nitride đơn tinh thể hình lục giác trên Cu (111) . Thiên nhiên , 2020; DOI: 10.1038 / s41586-020-2009-2

Bài viết liên quan

Bài viết mới