Image au microscope électronique à balayage (MEB) en fausses couleurs d'un transistor à effet de champ radiofréquence (RF-FET) composé d'un canal actif de diséléniure de tungstène (WSe2) épitaxié à 2-3 couches d'épaisseur. Crédit :Brian Bersch/Penn State
Depuis la découverte des propriétés remarquables du graphène, les scientifiques ont de plus en plus concentré leurs recherches sur les nombreux autres matériaux bidimensionnels possibles, à la fois ceux trouvés dans la nature et concoctés en laboratoire. Cependant, de plus en plus de haute qualité, matériaux cristallins 2-D à grande échelle s'est avéré un défi important.
Deux articles publiés en ligne dans deux revues sur les nanotechnologies ce mois-ci constituent la base de la croissance de cristaux bidimensionnels à l'échelle d'une plaquette pour les futurs appareils électroniques. Dans le travail dirigé par Joan Redwing, directeur du Two-Dimensional Crystal Consortium – Materials Innovation Platform, parrainé par la NSF, et professeur de science et ingénierie des matériaux et de génie électrique, État de Penn, les chercheurs ont développé un processus en plusieurs étapes pour fabriquer des films monocristallins atomiquement minces de diséléniure de tungstène sur des substrats de saphir de grande surface.
"Jusqu'à maintenant, la majorité des appareils 2-D ont été fabriqués à l'aide de petits flocons qui sont exfoliés à partir de cristaux en vrac, " Redwing a déclaré. "Pour développer une technologie prête pour les appareils, vous devez être capable de fabriquer des appareils sur des substrats de grande surface et ils doivent avoir une bonne qualité de cristal."
Le processus utilise le saphir comme substrat en raison de sa structure cristalline. Cette structure oriente la croissance du film dans un motif cristallin dans un processus appelé épitaxie. Au fur et à mesure que de petits îlots du matériau se forment sur le substrat et que le substrat est chauffé, les îlots s'étalent sur le substrat selon un motif uniforme formant un film de grande surface sans lacunes et avec très peu de défauts. L'avancée clé a été l'utilisation d'un dépôt chimique en phase vapeur à la source de gaz pour contrôler avec précision la densité de l'îlot et le taux de propagation afin d'obtenir une seule couche du matériau 2D.
Films 2D atomiquement minces à grande échelle par dépôt chimique en phase vapeur à source de gaz. Crédit :Xiaotian Zhang/État de Penn
Ils ont publié leur travail, « Epitaxie contrôlée par diffusion de monocouches WSe2 coalescentes sur une grande surface sur du saphir, " dans la revue Lettres nano .
Dans un article connexe, "Réaliser à grande échelle, Semi-conducteurs bidimensionnels de qualité électronique, " publié en ligne dans la revue ACS Nano , une équipe dirigée par Joshua Robinson, professeur agrégé de science et ingénierie des matériaux, État de Penn, fournit la compréhension fondamentale pour permettre des semi-conducteurs synthétiques 2-D prêts à l'emploi basés sur ces films épitaxiaux de grande surface dans l'électronique future à l'échelle industrielle.
« La principale signification de ce travail est que nous avons pu comprendre les facteurs extrinsèques qui entrent en jeu pour avoir un matériau 2D de haute qualité, " a déclaré Robinson. " Ce que nous avons découvert, c'est que même lorsque vous faites pousser des cristaux orientés sur une surface, il y a d'autres facteurs qui ont un impact sur la capacité d'obtenir une mobilité électronique élevée ou des transistors rapides."
En particulier, ils ont constaté qu'il existe une forte interaction entre le substrat en saphir et le film monocouche, avec le substrat dominant les propriétés. Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont fait pousser deux ou trois couches, ce qui a amélioré la performance par des facteurs de 20 à 100 fois.
"C'est la première preuve réelle de l'effet du substrat sur les propriétés de transport des couches 2-D, ", a déclaré Robinson.
