תיאור של אמן של אטום כלקוגן חסר בשכבה האמצעית של דיכאלקוגניד מתכת מעבר בתפזורת. קרדיט: קייל פאלמר / מחלקת התקשורת של PPPL
מחקר חדש מגביר את ההבנה שלנו לגבי מועמד סביר עבור שבבי מחשב מהדור הבא.
מדענים במעבדת הפיזיקה לפזמה של פרינסטון מקדמים את טכנולוגיית המוליכים למחצה על ידי פיתוח חומרים דקים ויעילים יותר הנקראים דיכאלקוגנידים מתכת מעבר (TMDs). חומרים אלה, בעובי של אטומים ספורים בלבד, יכולים להוביל לשבבי מחשב קומפקטיים וחזקים יותר. המחקר גם חוקר את תפקידם של פגמים בחומרים אלה, שיכולים להשפיע על התכונות החשמליות שלהם ולשפר את הפונקציונליות שלהם.
האבולוציה של שבבי מחשב
שבבי מחשב סיליקון שירתו אותנו היטב במשך יותר מחצי מאה. המאפיינים הזעירים ביותר בשבבים הנמכרים כיום הם בערך 3 ננומטר – גודל קטן להדהים בהתחשב בכך שרוחבה של שערה אנושית היא בערך 80,000 ננומטר. צמצום גודל התכונות בשבבים יעזור לנו לענות על הצורך האינסופי שלנו ליותר זיכרון וכוח עיבוד בכף ידנו. אבל הגבול של מה שניתן להשיג עם חומרים ותהליכים סטנדרטיים קרוב.
פריצות דרך בחומרי שבב
חוקרים במשרד האמריקני של אֵנֶרְגִיָהמעבדת הפיזיקה הפלזמה של פרינסטון (DOE) (PPPL) מיישמים את המומחיות שלהם בפיזיקה, כימיה ומידול ממוחשב כדי ליצור את הדור הבא של שבבי מחשב, מכוונים לתהליכים וחומרים שייצרו שבבים עם תכונות קטנות יותר.
"כל המכשירים האלקטרוניים הקיימים שלנו משתמשים בשבבים המורכבים מסיליקון, שהוא חומר תלת מימדי. כעת, חברות רבות משקיעות הרבה בשבבים המורכבים מחומרים דו מימדיים", אמר שואייב חאליד, פיזיקאי מחקר עמית ב-PPPL. החומרים קיימים למעשה בתלת מימד, אבל הם כל כך דקים – לרוב מורכבים מכמה שכבות של אטומים בלבד – עד שמדענים החלו לקרוא להם דו-ממדיים.
Transition-Metal Dichalcogenides: מוליכים למחצה מהדור הבא
חאליד, יחד עם Bharat Medasani של PPPL ואנדרסון ג'נוטי מאוניברסיטת דלאוור, חקרו תחליף סיליקון פוטנציאלי אחד: חומר דו מימדי המכונה דיכאלקוגניד מתכת מעבר (TMD).
החדש שלהם עיתוןשפורסם בכתב העת חומרים דו מימדיים, מפרט את הווריאציות שיכולות להתרחש במבנה האטומי של TMDs, מדוע הם קורים וכיצד הם משפיעים על החומר. מידע על וריאציות אלה מניח את הבסיס לשכלול התהליכים הדרושים ליצירת שבבי מחשב מהדור הבא.
בסופו של דבר, המטרה היא לעצב פְּלַסמָהמערכות ייצור מבוססות שיכולות ליצור מבוסס TMD מוליכים למחצה נעשה לפי המפרט המדויק הנדרש עבור היישום.
TMD: כריך מתכת זעיר
TMD יכול להיות דק בגובה של שלושה אטומים. תחשוב על זה כמו כריך מתכת זעיר. הלחם עשוי מיסוד כולקוגן: חמצן, גופרית, סלניום או טלוריום. המילוי הוא שכבה של מתכת מעבר – כל מתכת מקבוצות 3 עד 12 בטבלה המחזורית של היסודות. ל-TMD בתפזורת יש חמש שכבות או יותר של אטומים. האטומים מסודרים במבנה גבישי או סריג. באופן אידיאלי, האטומים מאורגנים בתבנית מדויקת ועקבית לאורך הסריג. במציאות, ניתן למצוא שינויים קטנים בתבנית. ייתכן שנקודה אחת בתבנית חסרה אָטוֹם, או שאטום עשוי להימצא במיקום מוזר. מדענים קוראים לשינויים האלה פגמים, אבל הם יכולים להשפיע לטובה על החומר.
פגמי TMD מסוימים, למשל, יכולים להפוך את המוליך למחצה ליותר מוליך חשמלית. טוב או רע, זה קריטי שמדענים יבינו מדוע קורים פגמים וכיצד הם ישפיעו על החומר כדי שיוכלו לשלב או לבטל את הפגמים הללו לפי הצורך. הבנת פגמים נפוצים מאפשרת לחוקרים גם להסביר את התוצאות מניסויי עבר עם TMDs.
"כאשר מיוצרים TMDs בתפזורת, יש להם עודף אלקטרונים," אמר חאליד, והוסיף כי החוקרים לא היו בטוחים מדוע קיימים עודף חלקיקים בעלי מטען שלילי אלה. "בעבודה זו, אנו מסבירים שעודפי האלקטרונים יכולים להיגרם על ידי מימן."
החוקרים הגיעו למסקנה זו לאחר חישוב כמות האנרגיה שתידרש ליצירת סוגים שונים של פגמי TMD. הם בדקו פגמים הקשורים למשרות פנויות של כלקוגן, אשר ידוע היה בעבר כקיים ב-TMD, ופגמים הקשורים במימן מכיוון שאלמנט זה קיים לעתים קרובות במהלך תהליך ייצור השבבים. חוקרים מעוניינים במיוחד לגלות אילו פגמים דורשים אנרגיית היווצרות מינימלית מכיוון שאלו סביר להניח שיתרחשו – לא צריך הרבה אנרגיה כדי שהם יקרו!
לאחר מכן, הצוות חקר את התפקיד של כל אחד מהפגמים באנרגיה נמוכה. באופן ספציפי, הם רצו לדעת כיצד כל תצורת פגם עשויה להשפיע על המטען החשמלי של החומר. החוקרים גילו שאחת מתצורות הפגם המערבות מימן מספקת עודף אלקטרונים, מה שיוצר חומר מוליכים למחצה בעל מטען שלילי, המכונה סוג n. שבבי מחשב מיוצרים באמצעות שילובים של חומר מוליכים למחצה מסוג n וחומר בעל מטען חיובי, או מסוג p.
מודל זה מראה את הנקודה שבה צריכים להיות אטומי הכלקוגן החסרים, כפי שמיוצג על ידי העיגול השחור במרכז תבנית בלתי מופרעת אחרת של אטומים. תצוגה זו משקיפה למטה על השכבה האמצעית של ה-TMD. קרדיט: שואייב חאליד, בהרט מדסאני ואנדרסון ג'נוטי / PPPL ואוניברסיטת דלאוור
תובנות מחקר על משרות פנויות של כלקוגן
הסוג השני של הפגם שנחקר במאמר ידוע בתור פנוי כלקוגן: אטום חסר של חמצן, גופרית, סלניום או טלוריום, תלוי בסוג ה-TMD. החוקרים התמקדו בהסבר התוצאות של ניסויים קודמים על פתיתים של חומר TMD בתפזורת מוליבדן דיסולפיד. הניסויים, שכללו הארת אור על ה-TMD, הראו תדרים בלתי צפויים של אור המגיע מה-TMD. התדרים הבלתי צפויים הללו, גילו החוקרים, יכולים להיות מוסברים על ידי תנועת אלקטרונים הקשורה לריק בכולקוגן.
"זהו פגם נפוץ. לעתים קרובות הם יכולים לראות את זה מהתמונות של סריקת מיקרוסקופים למנהור כשהם מגדלים את סרט ה-TMD", אמר חאליד. "העבודה שלנו מספקת אסטרטגיה לחקור את נוכחותם של משרות פנויות אלה ב-TMDs. הסברנו את תוצאות הניסוי בעבר שהוצגו במוליבדן דיסולפיד, ואז חזינו דבר דומה עבור TMDs אחרים."
התהליך שהציעו החוקרים כולל ניתוח ה-TMD לאיתור פגמים באמצעות טכניקות מדידה הנקראות פוטו-לומינסנציה כדי לראות אילו תדרי אור נפלטים מהחומר. ניתן להשתמש בתדירות השיא של האור כדי לקבוע את תצורות האלקטרונים של האטומים ב-TMD ואת נוכחותם של פגמי כלקוגן. מאמר כתב העת כולל מידע על התדרים שיפלטו מחמישה סוגים של TMDs עם מקומות פנויים של כלקוגן, כולל מוליבדן דיסולפיד. התוצאות, אם כן, מספקות קו מנחה לחקירת משרות פנויות של כלקוגן בניסויים עתידיים.
עבודה זו נתמכה על ידי ה-DOE במסגרת מענק DE-AC02-09CH11466 ופרס הקרן הלאומית למדע (NSF) #OIA-2217786. חישובים בוצעו במרכז הלאומי למחשוב מדעי לחקר האנרגיה (NESRC) תחת חוזה מספר DE-AC02-05CH11231 באמצעות פרס NERSC BES-ERCAP27253, אשכול הכוכבים בכתובת אוניברסיטת פרינסטון ומערכת המחשוב DARWIN באוניברסיטת דלאוור, תוך שימוש במענק NSF 1919839.
