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, avec la disposition des atomes de chaque côté organisés 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 orientés de manière opposée grossissent, ils finissent par se rencontrer sur la surface du saphir pour former la frontière jumelle du 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 suspectée du défaut du miroir.

La marche sur la surface du verre saphir est l’endroit où les cristaux de diséléniure de tungstène avaient tendance à se fixer, mais pas toujours. L'alignement des cristaux une fois fixés aux marches avait tendance à être dans une seule direction.

"Si les cristaux peuvent tous être alignés dans la même direction, alors les défauts des jumeaux miroir dans la couche seront réduits, voire éliminés", a déclaré Redwing.

Les chercheurs ont découvert qu’en contrôlant les conditions du processus MOCVD, la plupart des cristaux pouvaient se fixer au saphir au cours des étapes. Et au cours des expériences, ils ont fait une découverte bonus :si les cristaux s’attachent en haut de la marche, ils s’alignent dans une direction cristallographique; s'ils s'attachent en bas, ils s'alignent dans la direction opposée.

"Nous avons constaté qu'il était possible d'attacher la majorité des cristaux au bord supérieur ou inférieur des marches", a déclaré Redwing, créditant les travaux expérimentaux effectués par Haoyue Zhu, chercheur postdoctoral, et Tanushree Choudhury, professeur de recherche adjoint. , en 2DCC-MIP. "Cela permettrait de réduire considérablement le nombre de frontières de jumeaux miroir dans les couches."

Nadire Nayir, chercheur postdoctoral encadré par le professeur distingué Adri van Duin, a dirigé des chercheurs du centre de théorie/simulation 2DCC-MIP pour développer un modèle théorique de la structure atomique de la surface du saphir afin d'expliquer pourquoi le diséléniure de tungstène s'est attaché au dessus ou au dessous. bord des marches. Ils ont émis l’hypothèse que si la surface du saphir était recouverte d’atomes de sélénium, ils s’attacheraient alors au bord inférieur des marches; si le saphir n'est que partiellement recouvert de sorte que le bord inférieur de la marche manque d'atome de sélénium, alors les cristaux sont attachés au sommet.

Pour confirmer cette théorie, les chercheurs du Penn State 2DCC-MIP ont travaillé avec Krystal York, étudiante diplômée du groupe de recherche de Steven Durbin, professeur de génie électrique et informatique à la Western Michigan University. Elle a contribué à l’étude dans le cadre du programme de visiteurs chercheurs résidents 2DCC-MIP. York a appris à cultiver des films minces de diséléniure de tungstène via MOCVD tout en utilisant les installations 2DCC-MIP pour sa thèse de doctorat. Ses expériences ont permis de confirmer que la méthode fonctionnait.

"En réalisant ces expériences, Krystal a observé que la direction des domaines de diséléniure de tungstène sur le saphir changeait lorsqu'elle faisait varier la pression dans le réacteur MOCVD", a déclaré Redwing. "Cette observation expérimentale a permis de vérifier le modèle théorique qui a été développé pour expliquer l'emplacement de fixation des cristaux de diséléniure de tungstène sur les marches de la plaquette de saphir."

Des échantillons de diséléniure de tungstène à l'échelle d'une tranche sur saphir produits à l'aide de ce nouveau processus MOCVD sont disponibles pour les chercheurs en dehors de Penn State via le programme utilisateur 2DCC-MIP.

"Les applications telles que l'intelligence artificielle et l'Internet des objets nécessiteront de nouvelles améliorations des performances ainsi que des moyens de réduire la consommation d'énergie de l'électronique", a déclaré Redwing. "Les semi-conducteurs 2D de haute qualité à base de diséléniure de tungstène et de matériaux associés sont des matériaux importants qui joueront un rôle dans l'électronique de nouvelle génération."

Plus d'informations : Haoyue Zhu et al, Ingénierie par étapes pour le contrôle de la nucléation et de l'orientation de domaine dans l'épitaxie WSe2 sur saphir plan C, Nature Nanotechnology (2023). DOI :10.1038/s41565-023-01456-6

Informations sur le journal : Nanotechnologie naturelle

Fourni par l'Université d'État de Pennsylvanie