הביצוע של האמן הזה מציג פלטפורמת אינטגרציה חדשה שפותחה על ידי חוקרי MIT. על ידי הנדסת כוחות פני השטח, הם יכולים לשלב ישירות חומרים דו-ממדיים במכשירים בצעד מגע ושחרור אחד. קרדיט: באדיבות סמפסון וילקוקס/מעבדת המחקר לאלקטרוניקה
MITפריצת הדרך של שילוב חומרים דו-ממדיים במכשירים סוללת את הדרך למכשירי הדור הבא עם מאפיינים אופטיים ואלקטרוניים ייחודיים.
חומרים דו-ממדיים, שעובים רק כמה אטומים, יכולים להפגין כמה תכונות מדהימות, כמו היכולת לשאת מטען חשמלי ביעילות רבה, מה שיכול להגביר את הביצועים של מכשירים אלקטרוניים מהדור הבא.
אבל שילוב חומרים דו-ממדיים במכשירים ומערכות כמו שבבי מחשב הוא קשה ידוע לשמצה. מבנים אולטרה-דקים אלו עלולים להינזק על ידי טכניקות ייצור קונבנציונליות, הנשענות לרוב על שימוש בכימיקלים, טמפרטורות גבוהות או תהליכים הרסניים כמו תחריט.
טכניקת אינטגרציה חדשה
כדי להתגבר על אתגר זה, חוקרים מ-MIT וממקומות אחרים פיתחו טכניקה חדשה לשילוב חומרים דו-ממדיים במכשירים בצעד אחד תוך שמירה על משטחי החומרים והממשקים שנוצרו נקיים מפגמים.
השיטה שלהם מסתמכת על כוחות משטח הנדסיים הזמינים ב- ננומטרי כדי לאפשר לחומר הדו-ממדי להיות מוערם פיזית על שכבות מכשיר שנבנו מראש. מכיוון שהחומר הדו-ממדי נותר ללא פגיעה, החוקרים יכולים לנצל את מלוא התכונות האופטיות והחשמליות הייחודיות שלו.
הפלטפורמה שפותחה ממנפת ערכות כלים התואמות לתעשייה, ומאפשרת להגדיל את התהליך. כאן, המחבר הראשי Peter Satterthwaite משתמש בכלי יישור שונה ב-MIT.nano כדי לבצע אינטגרציה מעוצבת ומיושרת. קרדיט: באדיבות Weikun Zhu
שיפור הפונקציונליות של המכשיר
הם השתמשו בגישה זו כדי לייצר מערכים של טרנזיסטורים דו-ממדיים שהשיגו פונקציונליות חדשה בהשוואה להתקנים המיוצרים בטכניקות ייצור קונבנציונליות. השיטה שלהם, שהיא מגוונת מספיק לשימוש עם חומרים רבים, יכולה להיות בעלת יישומים מגוונים במחשוב, חישה ואלקטרוניקה גמישה עם ביצועים גבוהים.
הליבה לפתיחת הפונקציות החדשות הללו היא היכולת ליצור ממשקים נקיים, המוחזקים יחד על ידי כוחות מיוחדים הקיימים בין כל החומר, הנקראים כוחות ואן דר ואלס.
עם זאת, אינטגרציה כזו של ואן דר ואלס של חומרים במכשירים פונקציונליים במלואם אינה תמיד קלה, אומר פרנאז נירוי, עוזר פרופסור להנדסת חשמל ומדעי המחשב (EECS), חבר במעבדת המחקר לאלקטרוניקה (RLE), ומחבר בכיר של הספר. מאמר חדש המתאר את העבודה.
"לשילוב ואן דר ואלס יש גבול מהותי", היא מסבירה. "מכיוון שהכוחות הללו תלויים בתכונות הפנימיות של החומרים, לא ניתן לכוונן אותם בקלות. כתוצאה מכך, ישנם חומרים שאינם ניתנים לשילוב ישיר אחד עם השני באמצעות האינטראקציות של ואן דר ואלס בלבד. המצאנו פלטפורמה לטפל במגבלה הזו כדי לעזור להפוך את האינטגרציה של ואן דר ואלס למגוון יותר, כדי לקדם את הפיתוח של מכשירים מבוססי חומרים דו-ממדיים עם פונקציות חדשות ומשופרות."
Niroui כתב את המאמר עם הסופר הראשי פיטר סאטר'ווייט, סטודנט לתואר שני בהנדסת חשמל ומדעי המחשב; ג'ינג קונג, פרופסור ל-EECS וחבר ב-RLE; ואחרים ב-MIT, אוניברסיטת בוסטון, אוניברסיטת טסינג הואה הלאומית בטייוואן, המועצה הלאומית למדע וטכנולוגיה של טייוואן, ואוניברסיטת צ'נג קונג הלאומית בטייוואן. המחקר פורסם לאחרונה ב טבע אלקטרוניקה.
כוחות פני השטח המגוונים הזמינים בקנה מידה ננו מאפשר לחוקרים להתאים את העברת מטריצת הדבק לחומרים רבים ושונים. לדוגמה, כאן, על ידי שימוש בפולימרים דביקים, הם מסוגלים להעביר גרפן בדוגמת, יריעת פחמן בעובי אטום אחד, ממצע מקור (תמונה עליונה), לפולימר דבק קולט (תמונה תחתונה). קרדיט: באדיבות קבוצת נירוי
אטרקציה מועילה
יצירת מערכות מורכבות כמו שבב מחשב עם טכניקות ייצור קונבנציונליות עלולה להיות מבולגנת. בדרך כלל, חומר קשיח כמו סיליקון נסתם עד לקנה מידה ננו, ואז מתחבר עם רכיבים אחרים כמו אלקטרודות מתכת ושכבות בידוד כדי ליצור מכשיר פעיל. עיבוד כזה עלול לגרום נזק לחומרים.
לאחרונה, החוקרים התמקדו בבניית מכשירים ומערכות מלמטה למעלה, תוך שימוש בחומרים דו מימדיים ותהליך הדורש ערימה פיזית רציפה. בגישה זו, במקום להשתמש בדבקים כימיים או בטמפרטורות גבוהות כדי לחבר חומר דו-ממדי שביר למשטח קונבנציונלי כמו סיליקון, החוקרים ממנפים את כוחות ואן דר-ואלס כדי לשלב פיזית שכבה של חומר דו-ממדי על מכשיר.
כוחות ואן דר ואלס הם כוחות משיכה טבעיים הקיימים בין כל החומר. לדוגמה, רגליה של שממית יכולות להיצמד לקיר באופן זמני בגלל כוחות ואן דר ואלס. למרות שכל החומרים מפגינים אינטראקציה של ואן דר ואלס, תלוי בחומר, הכוחות לא תמיד חזקים מספיק כדי להחזיק אותם יחד. לדוגמה, חומר דו-מימדי מוליך למחצה פופולרי המכונה מוליבדן דיסולפיד יידבק לזהב, מתכת, אך לא יעבור ישירות למבודדים כמו דו תחמוצת הסיליקון רק על ידי מגע פיזי עם משטח זה.
עם זאת, מבנים הטרו-מבנים שנעשו על ידי שילוב מוליכים למחצה ושכבות בידוד הם אבני בניין מפתח של מכשיר אלקטרוני. בעבר, אינטגרציה זו התאפשרה על ידי הצמדת החומר הדו-ממדי לשכבת ביניים כמו זהב, ולאחר מכן שימוש בשכבת הביניים הזו כדי להעביר את החומר הדו-ממדי אל המבודד, לפני הסרת שכבת הביניים באמצעות כימיקלים או טמפרטורות גבוהות.
במקום להשתמש בשכבת ההקרבה הזו, חוקרי MIT מטמיעים את המבודד בעל הידבקות נמוכה במטריצה בעלת הידבקות גבוהה. מטריצת הדבקה זו היא שגורמת לחומר הדו-ממדי להיצמד למשטח המוטבע עם הדבקה נמוכה, ומספקת את הכוחות הדרושים ליצירת ממשק ואן-דר-ואלס בין החומר הדו-ממדי למבודד.
יצירת המטריקס
כדי לייצר מכשירים אלקטרוניים, הם יוצרים משטח היברידי של מתכות ומבודדים על מצע נשא. לאחר מכן מקלפים משטח זה ומתהפכים כדי לחשוף משטח עליון חלק לחלוטין המכיל את אבני הבניין של המכשיר הרצוי.
החלקות הזו חשובה, מכיוון שמרווחים בין פני השטח לחומר הדו-ממדי עלולים להפריע לאינטראקציות של ואן דר ואלס. לאחר מכן, החוקרים מכינים את החומר הדו-ממדי בנפרד, בסביבה נקייה לחלוטין, ומביאים אותו למגע ישיר עם ערימת המכשיר המוכנה.
"ברגע שהמשטח ההיברידי בא במגע עם השכבה הדו-ממדית, ללא צורך בטמפרטורות גבוהות, ממסים או שכבות הקרבה, הוא יכול לקלוט את השכבה הדו-ממדית ולשלב אותה עם המשטח. בדרך זו, אנו מאפשרים אינטגרציה של ואן דר ואלס שהייתה אסורה באופן מסורתי, אך כעת היא אפשרית ומאפשרת היווצרות של מכשירים הפועלים במלואם בצעד אחד", מסביר Satterthwaite.
תהליך חד-שלבי זה שומר על ממשק החומר הדו-ממדי נקי לחלוטין, מה שמאפשר לחומר להגיע לגבולות הביצועים הבסיסיים שלו מבלי להיעצר על ידי פגמים או זיהום.
ומכיוון שגם המשטחים נשארים בתוליים, החוקרים יכולים להנדס את פני השטח של החומר הדו-ממדי כדי ליצור תכונות או חיבורים לרכיבים אחרים. לדוגמה, הם השתמשו בטכניקה זו כדי ליצור טרנזיסטורים מסוג p, אשר בדרך כלל מאתגרים ליצור עם חומרים דו-ממדיים. הטרנזיסטורים שלהם השתפרו בהשוואה למחקרים קודמים, ויכולים לספק פלטפורמה ללימוד והשגת הביצועים הדרושים לאלקטרוניקה מעשית.
להסתכל קדימה
הגישה שלהם יכולה להיעשות בקנה מידה כדי ליצור מערכים גדולים יותר של מכשירים. ניתן להשתמש בטכניקת המטריצה הדבקה גם עם מגוון חומרים, ואפילו עם כוחות אחרים כדי לשפר את הרבגוניות של פלטפורמה זו. למשל, החוקרים השתלבו גרפן על גבי מכשיר, ויוצרים את ממשקי ואן דר ואלס הרצויים באמצעות מטריצה העשויה מפולימר. במקרה זה, הידבקות מסתמכת על אינטראקציות כימיות ולא על כוחות ואן דר ואלס בלבד.
בעתיד, החוקרים רוצים לבנות על פלטפורמה זו כדי לאפשר אינטגרציה של ספרייה מגוונת של חומרים דו-ממדיים כדי לחקור את המאפיינים הפנימיים שלהם ללא השפעה של נזקי עיבוד, ולפתח פלטפורמות מכשירים חדשות הממנפות את הפונקציונליות המעולות הללו.
מחקר זה ממומן, בחלקו, על ידי הקרן הלאומית למדע של ארה"ב, משרד האנרגיה של ארה"ב, מלגת BUnano Cross-Disciplinary Fellowship באוניברסיטת בוסטון ומשרד המחקר של צבא ארה"ב. הליכי הייצור והאפיון בוצעו, ברובם, במתקנים המשותפים של MIT.nano.
