Les matériaux 2-D exotiques sont très prometteurs pour la création de circuits atomiques minces qui pourraient alimenter des composants électroniques flexibles, optoélectronique, et d'autres appareils de nouvelle génération. Mais la fabrication de circuits 2-D complexes nécessite de nombreuses heures, étapes coûteuses.

Dans un article publié en PNAS , des chercheurs du MIT et d'ailleurs décrivent une technique qui rationalise le processus de fabrication, en faisant croître un matériau 2D directement sur un substrat à motifs et en recyclant les motifs de circuit.

Les chercheurs cultivent soigneusement une seule couche de bisulfure de molybdène (MoS 2 ), qui n'a que trois atomes d'épaisseur, sur un substrat de croissance selon un motif choisi. Cette approche diffère des techniques traditionnelles qui poussent et gravent un matériau de manière itérative, sur plusieurs couches. Ces processus prennent du temps et augmentent les chances de provoquer des défauts de surface pouvant nuire aux performances du matériau.

Avec la nouvelle méthode, en utilisant uniquement de l'eau, les chercheurs peuvent transférer le matériau de son substrat de croissance à son substrat de destination si proprement que le substrat à motifs d'origine peut être réutilisé comme moule de type « réplique principale », ce qui signifie un modèle réutilisable pour la fabrication. En fabrication traditionnelle, les substrats de croissance sont jetés après chaque transfert de matière, et le circuit doit être modelé à nouveau sur un nouveau substrat pour faire repousser plus de matériau.

"Lorsque nous évoluons et fabriquons des appareils électroniques plus complexes, les gens doivent intégrer de nombreux matériaux 2D dans plus de couches et de formes spécifiques. Si nous suivons les méthodes traditionnelles, pas à pas, cela prendra beaucoup de temps et sera inefficace, " dit le premier auteur Yunfan Guo, un post-doctorat au Département de génie électrique et informatique (EECS) et au Laboratoire de recherche en électronique. "Notre méthode montre le potentiel de rendre l'ensemble du processus de fabrication plus simple, moindre coût, et plus efficace."

Dans leur travail, les chercheurs ont fabriqué des motifs arbitraires et un transistor fonctionnel en MoS 2 , qui est l'un des semi-conducteurs connus les plus minces. Dans leur étude, les chercheurs ont recyclé le même substrat à motifs quatre fois sans voir de signes d'usure.

Guo est rejoint sur le papier par les professeurs EECS Tomas Palacios et Jing Kong; Ju Li, un professeur du MIT en science et ingénierie nucléaires et en science et ingénierie des matériaux; Xi Ling de l'Université de Boston; Letian Dou et Enzheng Shi de l'Université Purdue; sept autres étudiants diplômés du MIT, post-doctorants, et anciens élèves ; et deux autres co-auteurs de l'Université Cornell et de l'Université Purdue.

Croissance maîtrisée

Pour concevoir un motif sur un substrat de croissance, les chercheurs ont utilisé une technique qui utilise un plasma à base d'oxygène pour graver des motifs dans la surface d'un substrat. Certaines versions de cette technique ont déjà été utilisées expérimentalement pour développer des modèles de matériaux 2D. Mais la résolution spatiale, c'est-à-dire la taille des structures précises pouvant être fabriquées, est relativement faible (100 microns), et les performances électriques ont été bien inférieures à celles des matériaux cultivés à l'aide d'autres méthodes.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont mené des études approfondies sur la façon dont MoS 2 les atomes s'arrangent sur une surface de substrat et comment certains précurseurs chimiques peuvent aider à contrôler la croissance du matériau. Ce faisant, ils ont pu tirer parti de la technique pour développer une seule couche de MoS de haute qualité 2 dans des schémas précis.

Les chercheurs ont utilisé des masques de photolithographie traditionnels sur un substrat d'oxyde de silicium, où le motif souhaité se situe dans des régions non exposées à la lumière. Ces régions sont ensuite exposées au plasma à base d'oxygène. Le plasma attaque environ 1 à 2 nanomètres du substrat dans le motif.

Ce processus crée également une énergie de surface plus élevée et une affinité accrue pour les molécules hydrophiles (« hydrophiles ») dans ces régions traitées au plasma. Les chercheurs utilisent alors un sel organique, appelé PTAS, qui agit comme un promoteur de croissance pour MoS 2 . Le sel est attiré vers les régions gravées hydrophiles nouvellement créées. En outre, les chercheurs ont utilisé du soufre, un précurseur essentiel du MoS 2 croissance, à une quantité et à une température précises pour réguler exactement le nombre d'atomes du matériau qui se formeront sur le substrat.

Lorsque les chercheurs ont ensuite mesuré le MoS 2 croissance, ils ont trouvé qu'il remplissait environ 0,7 nanomètres du motif gravé. C'est l'équivalent d'exactement une couche de MoS 2 .

Motifs recyclés

Prochain, les chercheurs ont développé une méthode pour recycler le substrat à motifs. Traditionnellement, transférer des matériaux 2-D d'un substrat de croissance sur un substrat de destination, comme une surface flexible, nécessite d'envelopper l'ensemble du matériau cultivé dans un polymère, le graver chimiquement, et en le séparant de son substrat de croissance. Mais cela amène inévitablement des contaminants dans le matériau. Lorsque le matériel est sorti, il laisse également des résidus, les substrats d'origine ne peuvent donc pas être réutilisés.

En raison de la faible interaction entre MoS 2 et le substrat de croissance, cependant, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient détacher le MoS 2 proprement du substrat d'origine en l'immergeant dans l'eau. Ce processus, appelé « délaminage, " élimine le besoin d'utiliser une couche de support et produit une rupture nette avec le matériau du substrat.

"C'est pourquoi nous pouvons le recycler, " Dit Guo. " Après son transfert, parce que c'est purement propre, notre substrat à motifs est récupéré et nous pouvons l'utiliser pour de multiples croissances."

Les innovations des chercheurs introduisent beaucoup moins de défauts de surface qui limitent les performances, telle que mesurée par la mobilité des électrons, c'est-à-dire la vitesse à laquelle les électrons se déplacent à travers un semi-conducteur.

Dans leur papier, les chercheurs ont fabriqué un transistor 2D, appelé transistor à effet de champ. Les résultats indiquent que la mobilité des électrons et le "rapport marche-arrêt" - l'efficacité avec laquelle un transistor bascule entre les états de calcul 1 et 0 - sont comparables aux valeurs rapportées de haute qualité traditionnellement cultivées, matériaux performants.

Le transistor à effet de champ a actuellement une résolution spatiale d'environ 2 microns, qui n'est limité que par le laser des instruments de microfabrication utilisés par les chercheurs. Prochain, les chercheurs espèrent réduire la taille du motif, et intégrer directement des circuits complexes sur des matériaux 2D en utilisant leur technique de fabrication.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.