Новые исследования интегрируют борофен и графен в гетероструктуры
Наноматериалы могут послужить основой для многих новых технологий, включая чрезвычайно крошечную, гибкую и прозрачную электронику. Технические возможности использования кремния почти исчерпаны, поэтому ученые озадачены поиском более совершенных материалов.
Хотя многие наноматериалы обладают перспективными электронными свойствами, ученые и инженеры все еще работают над тем, чтобы наилучшим образом интегрировать эти материалы вместе и в конечном итоге создать с ними полупроводники и схемы.
Северо-западные инженеры создали двумерные (2D) гетероструктуры из двух этих материалов - графена и борафина, сделав важный шаг к созданию интегральных схем из этих наноматериалов.
"Если бы вы вскрыли интегральную микросхему внутри смартфона, вы увидели бы множество различных материалов, объединенных вместе", - сказал Марк Херсам, профессор кафедры материаловедения и техники Уолтер П. Мерфи, который руководил исследованиями. "Однако, мы достигли пределов многих из этих традиционных материалов. Интегрируя вместе наноматериалы, такие как борофен и графен, мы открываем новые возможности в наноэлектронике".
При поддержке Управления военно-морских исследований и Национального научного фонда результаты были опубликованы.
Создание гетероструктуры нового типа
Любая интегральная микросхема содержит множество материалов, выполняющих различные функции, например, проводящих электричество или удерживающих компоненты в электрически изолированном состоянии. Но в то время как транзисторы внутри цепей становятся все меньше и меньше - благодаря достижениям в области материалов и производства - они близки к тому, чтобы достичь предела того, насколько малы они могут быть.
Ультратонкие 2D материалы, такие как графен, могут обойти эту проблему, но интегрировать 2D материалы вместе очень сложно. Эти материалы имеют толщину всего один атом, поэтому если атомы этих двух материалов не совпадают идеально, интеграция вряд ли будет успешной. К сожалению, большинство 2D материалов не соответствуют атомному масштабу, что создает проблемы для 2D интегральных схем.
Графен имеет очень высокую теплопроводность и электропроводность, он прочнее стали, гибкий, легкий и прозрачный. Данный материал вызывает к себе интерес каждый год с момента его открытия. Наравне с этим растет и диапазон его применения. Кроме использования в авиационной, космической, военной промышленностях и других сферах, он применим в быту. Недавно показали, как можно его использовать против комариных укусов
Борофен, 2D версия бора, который Херсам и его коллеги впервые синтезировали в 2015 году, является полиморфным, что означает, что он может принимать на себя множество различных структур и адаптироваться к своей среде. Это делает его идеальным кандидатом для комбинирования с другими 2D материалами, такими как графен.
Борофен — это двухмерный материал, представляющий собой тонкие листы с высотой в один атом бора. Выглядит довольно привычно, но его свойства говорят об обратном. Все из-за того, что при стандартных условиях атом бора – неметаллический полупроводник, тогда как металлической проводимостью начинает обладать двухмерная форма этого элемента.
Для проверки возможности интеграции этих двух материалов в единую гетероструктуру лаборатория Херсам выращивала графен и борофен на одном и том же субстрате. Сначала они выращивали графен, так как он растет при более высокой температуре, затем осаждали бор на том же субстрате и позволяли ему расти в регионах, где не было графена. Этот процесс привел к боковым границам соприкосновения, где из-за аккомодационной природы борофена оба материала были сшиты вместе на атомном уровне.
Измерение электронных переходов
Лаборатория охарактеризовала 2D-гетероструктуру с помощью сканирующего туннельного микроскопа и обнаружила, что электронный переход через интерфейс был исключительно резким, что означает, что он может быть идеальным для создания крошечных электронных устройств.
"Эти результаты говорят о том, что мы можем создавать устройства сверхвысокой плотности вниз по дороге", - сказал Херсам. В конечном счете, Херсам надеется достичь все более сложных 2D структур, которые приведут к появлению новых электронных устройств и схем. Он и его команда работают над созданием дополнительных гетероструктур с использованием борафина, объединяя его с растущим числом известных 2D материалов.
"За последние пару десятков лет появились новые материалы, обеспечивающие миниатюризацию и, соответственно, повышение эффективности транзисторных технологий", - сказал он. "Двухмерные материалы могут совершить следующий скачок."
