Erstellen von besseren Geräten: Die Ätzung stoppt hier.

Ein Team von multidisziplinären Wissenschaftlern und Ingenieuren der University of Illinois in Urbana-Champaign hat eine neue, präzisere Methode zur Herstellung nanoskaliger elektromechanischer Bauelemente entwickelt. Ihre Forschungsergebnisse werden in Nature Communications veröffentlicht.

„In den letzten fünf Jahren gab es einen riesigen Goldrausch, bei dem die Forscher herausfanden, dass wir 2D-Materialien herstellen könnten, die natürlich nur ein Molekül dick sind, aber viele verschiedene elektronische Eigenschaften haben können, und indem wir sie übereinander stapeln, könnten wir fast jedes elektronische Gerät mit molekularen Größen entwickeln“, sagte Arend van der Zande, Professor für Mechanik und Ingenieurwesen.

„Die Herausforderung bestand darin, dass wir diese Strukturen zwar bis auf wenige Moleküle dick machen konnten, sie aber nicht mustern konnten“, sagte er.

Bei jeder Skala von elektronischen Geräten werden Schichten in präzisen Mustern weggeätzt, um den Stromfluss zu steuern. „Dieses Konzept basiert auf vielen Technologien, wie z.B. integrierten Schaltungen. Je kleiner man jedoch ist, desto schwieriger ist es, dies zu tun“, sagte van der Zande.

„Zum Beispiel, wie stellt man elektrischen Kontakt auf den molekularen Schichten drei und fünf her, aber nicht auf der vierten Schicht auf atomarer Ebene?“

Eine zufällige Entdeckung führte zu einer Methode, genau das zu tun.

Als neuer Postdoc im Labor von van der Zande führte Jangyup Son einige Experimente an einzelnen Graphenschichten mit Xenon-Difluorid, XeF2, durch, als er zufällig ein weiteres Material „hineinwarf“: hexagonales Bornitrid (hBN), ein elektrischer Isolator.

„Jangyup schob beide Materialien gleichzeitig in die Ätzkammer, und was er sah, war, dass eine einzige Schicht Graphen noch da war, aber ein dickes Stück hBN wurde durch das Xenon-Difluorid vollständig weggeätzt.“

Diese zufällige Entdeckung führte das Team dazu, zu sehen, wo sie die Fähigkeit von Graphen, dem Ätzmittel zu widerstehen, anwenden konnten.

„Diese Entdeckung ermöglichte es uns, zweidimensionale Strukturen zu strukturieren, indem wir Graphenschichten zwischen anderen Materialien wie hexagonalem Bornitrid (hBN), Übergangsmetalldichalcogeniden (TMDCs) und schwarzem Phosphor (BP) platzierten, um eine Schicht selektiv und präzise zu ätzen, ohne die darunterliegende Schicht zu ätzen.“

Graphen behält unter Einwirkung des Ätzmittels XeF2 seine Molekularstruktur und maskiert oder schützt die darunterliegende Schicht und stoppt die Ätzung.

„Was wir entdeckt haben, ist eine Möglichkeit, komplizierte Strukturen bis auf molekularer und atomarer Ebene zu strukturieren“, sagte er.

Um die Stärken der neuen Technik zu erforschen, schuf die Gruppe einen einfachen Graphentransistor, um seine Leistung im Vergleich zu traditionell hergestellten Graphentransistoren zu testen, die derzeit so strukturiert sind, dass sie Unordnung im Material hervorrufen und ihre Leistung verschlechtern.

„Weil diese Moleküle alle oberflächlich sind, wenn man sie auf irgendetwas mit irgendeiner Unordnung sitzen hat, zerstört sie die Fähigkeit der Elektronen, sich durch das Material und damit die elektronische Leistung zu bewegen“, sagte van der Zande. „Um das bestmögliche Gerät zu entwickeln, müssen Sie das Graphenmolekül in ein anderes zweidimensionales Material einkapseln, wie z.B. isolierendes hBN, um es super flach und sauber zu halten.“

Hier ist die neue Technik so nützlich. Das Graphenmolekül kann verkapselt und unverfälscht bleiben, während es der Ätzung widersteht, die für den Kontakt mit dem Material erforderlich ist, wodurch die Eigenschaften des Materials erhalten bleiben.

Als Beweis des Konzepts übertrafen die mit der neuen Technik hergestellten Transistoren alle anderen Transistoren und waren damit „die besten Graphen-Transistoren, die bisher in der Literatur gezeigt wurden“.

Die nächsten Schritte, so van der Zande, sind zu sehen, wie skalierbar die Technik ist und ob sie bisher unmögliche Geräte ermöglicht. Können wir die selbstbeherrschende Natur dieser Technik nutzen, um eine Million identische Transistoren herzustellen und nicht nur einen? Können wir Geräte bis auf die Nanoskala in allen drei Dimensionen gleichzeitig mustern, um Nanoribbons ohne jegliche Unordnung herzustellen?

„Jetzt, da wir eine Möglichkeit haben, die Unordnung im Material zu minimieren, erforschen wir Wege, kleinere Merkmale herzustellen, weil wir Verkapselung und Musterung gleichzeitig durchführen können“, sagte er. „Normalerweise, wenn man versucht, kleinere Merkmale wie Nanobänder aus 2D-Materialien herzustellen, beginnt die Störung zu dominieren, so dass die Geräte nicht richtig funktionieren.“

„Der Graphen-Ätzstopp, wie die Technik genannt wird, wird den gesamten Prozess des Gerätebaus erleichtern.“

Mehr Informationen:
Jangyup Son et al, Atomgenaue Graphenätzstopps für dreidimensionale integrierte Systeme aus zweidimensionalen Materialheterostrukturen, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-06524-3

Teilen Ist Liebe! ❤

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

shares