06 فبراير 2024 (أضواء Nanowerk) الجرافين أبهرت العلماء والمستثمرين بقوتها الهائلة وسرعتها منذ لحظة عزلها لأول مرة في عام 2004. وتتكون هذه المادة العجيبة ثنائية الأبعاد من طبقة واحدة من ذرات الكربون في شبكة سداسية، وأظهرت إمكانية إحداث ثورة في كل شيء بدءًا من شاشات العرض المرنة وحتى الألواح الشمسية. إلى الحوسبة الكمومية. توقع المتحمسون وجود مركبات جرافين فائقة القوة أخف من الفولاذ، وخطوط طاقة عديمة الفقدان مع مقاومة صفر، وموصلات فائقة في درجة حرارة الغرفة أكثر كفاءة 100 مرة من السيليكون. الصيد الوحيد؟ لم ينمو الجرافين بشكل طبيعي على الركائز العازلة اللازمة لدمجه في الأجهزة الإلكترونية. وبدلاً من ذلك، تبلور بسهولة على معادن لا تتوافق مع صناعة الرقائق الدقيقة الحديثة. تاريخيًا، لا يمكن إنتاج شبكة الكربون الرقيقة جدًا من الجرافين وبلورات hBN ذات الطبقات بشكل موثوق إلا على معادن مثل النحاس من خلال ترسيب البخار الكيميائي (CVD). على الرغم من كونها مفيدة للأبحاث الأساسية، إلا أن الركائز المعدنية تتداخل مع التطبيقات العملية. لدمج الجرافين في إلكترونيات السيليكون الحديثة، نقل العلماء أفلام المواد ثنائية الأبعاد على الأسطح غير الموصلة مثل البلاستيك أو أكسيد السيليكون من خلال عمليات كيميائية "رطبة" متعددة الخطوات. ومع ذلك، غالبًا ما تكون بقايا البوليمر ملوثة للأفلام، وقد ثبت أن الترابط ضعيف تحت الضغط، مما يترك شقوقًا وعيوبًا ضارة بالأداء. على مدار ما يقرب من 20 عامًا، بحث الباحثون عن طرق أفضل لنقل المواد الواعدة ثنائية الأبعاد مثل الجرافين ونيتريد البورون السداسي متعدد الطبقات إلى أسس غير موصلة دون التضحية بالأداء. المحاولات السابقة لإيداع طبقات ثنائية الأبعاد مباشرة على العوازل فشلت إلى حد كبير بسبب الاختلافات في البنية الذرية. يتبلور كل من الجرافين وhBN بشكل أفضل فوق الأسطح المعدنية الصلبة مع التماثل السداسي المطابق. لا توفر العوازل غير المتبلورة، مثل الزجاج، أي قالب يوجه النمو المنظم ثنائي الأبعاد. قدمت التقنيات السابقة التي تستخدم الحرارة العالية أو الليزر النبضي لإجبار التفاعلات بقعًا متقطعة ومعيبة من مواد ثنائية الأبعاد غير مناسبة للإنتاج الضخم. مع الترانزستورات وبالدفع إلى مقياس النانومتر الواحد، فإن العيوب التي تمتد لعشرات الذرات فقط يمكن أن تؤدي إلى قصور في دائرة الجهاز. الآن، في نعمة محتملة للصناعة، أفاد الباحثون عن اكتشاف وسيلة قابلة للتطوير لتوليد طبقات الجرافين أحادية البلورة وطبقات hBN على منصات عازلة متنوعة. وبدلاً من تعزيز عملية الترسيب بقوة، استغل المؤلفان الرئيسيان Junzhu Li وXxiang Zhang بذكاء تليين الرقائق المعدنية الرقيقة بالقرب من نقطة انصهارها. لا يزال النمو يحدث باستخدام محفزات النحاس التقليدية، ولكن عند الأبعاد النانومترية، وصلت الرقائق لفترة وجيزة إلى حالة مرنة تسمح بالترابط الحميم مع الركائز الأساسية غير الموصلة.
استراتيجية التوليف العالمي غير المحوري (UNS). أ - د) رسم تخطيطي لعملية التوليف للمواد ثنائية الأبعاد. أ) المرحلة الأولى: يتم وضع رقائق معدنية أحادية البلورة مسبقة الصنع على ركيزة عازلة لتكوين ركيزة عازلة من رقائق معدنية غير لاصقة. ب) المرحلة الثانية: تتم زراعة جزر مادية ثنائية الأبعاد على جانبي الرقاقة المعدنية. ج) المرحلة الثالثة: تبدأ الرقاقة المعدنية في التليين، وتصل إلى حالة شبه منصهرة؛ يتم ضغط طبقة المادة ثنائية الأبعاد على سطح الركيزة العازلة. د) المرحلة الرابعة: تتم إزالة مواد الطبقة العليا ثنائية الأبعاد ورقائق النحاس (2)، مع بقاء طبقة ثنائية الأبعاد على الركيزة العازلة. (أعيد طبعه بإذن من Wiley-VCH Verlag) بالتفصيل في المجلة المواد المتقدمة ("المواد ثنائية الأبعاد أحادية البلورة على نطاق الرقاقة على العوازل")، ركز نهج المجموعة على ركيزة مزدوجة الجوانب "غير ملتصقة" مخصصة مع وجود فجوة بين رقائق النحاس عالية النقاء والعازل المستهدف، مثل الياقوت أو رقائق السيليكون القياسية مع طلاء سطحي مؤكسد. تتدفق الغازات إلى الفراغات بين السطحين، مما يتيح لـ hBN أو الجرافين أن يتبلور في وقت واحد عبر كل من الجزء العلوي والسفلي من الرقاقة من خلال CVD نموذجي عند أكثر من 1000 درجة مئوية داخل الفرن. مباشرة بعد الانتهاء من الترسيب، قام الباحثون بسرعة بزيادة درجات الحرارة بمقدار 50 درجة إضافية لمدة تقل عن دقيقة. أدى هذا الارتفاع القصير إلى وصول رقائق النحاس إلى حالة شبه منصهرة، مما أدى إلى تليين الروابط بين الذرات والسماح للفيلم المتبلور ثنائي الأبعاد على الجانب السفلي بالالتقاء بشكل وثيق بالسطح العازل. ثم يقوم ترسيب ذرات النحاس بملء أي شقوق حيث يتم تبريد العينة تحت الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى تثبيت الجرافين أو hBN بشكل مسطح بدون تجاعيد أو تمزقات.
مباشرة بعد الانتهاء من الترسيب، قام الباحثون بسرعة بزيادة درجات الحرارة بمقدار 50 درجة إضافية لمدة تقل عن دقيقة. أدى الارتفاع القصير إلى إذابة الروابط بين الذرات في النحاس جزئيًا، مما أدى إلى ظهور الفيلم المتبلور ثنائي الأبعاد على الجانب السفلي في اتصال متساطح مع الركيزة العازلة. ترسيب ذرات النحاس يملأ أي شقوق عندما يتم تبريد العينة تحت الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى تثبيت الجرافين أو hBN بشكل مسطح بدون تجاعيد أو تمزقات. أدى نقش النحاس الحمضي إلى إزالة طبقة المحفز المضحية، مما أدى إلى تثبيت الطبقة ثنائية الأبعاد المغطاة بقوة على عازل مناسب لتطبيقات الإلكترونيات.
ينبع الإنجاز الرئيسي من تصميم ركيزة مزدوجة الجوانب "غير ملتصقة". قام الباحثون أولاً بتصنيع رقائق نحاسية أحادية البلورة فائقة النقاء. تم وضع هذا المحفز للنمو ثنائي الأبعاد بلطف فوق السطح العازل المستهدف، مما أدى إلى خلق فجوة بين الطبقتين. سمح هذا الفضاء للغازات الأولية بالوصول بسهولة إلى كلا جانبي الرقاقة، مما أدى إلى نمو صفائح من الذرات المتراصفة سداسية الشكل في وقت واحد في الأعلى والأسفل.
ثبت أن التحكم الدقيق في درجات الحرارة والضغوط وتركيبات الغاز أمر ضروري لتحقيق الكمال البلوري. إن إبقاء الهواء خارجًا يمنع الأكسدة بينما يؤدي التدفق المستمر لغازات الهيدروجين والأرجون إلى تغذية نواة hBN أو الجرافين السلس عبر سطح النحاس بأكمله.
إن الحث المتعمد على الذوبان القريب لمدة تقل عن دقيقة مباشرة بعد النمو كان بمثابة خدعة التصاق الصلصة السرية. وكان العلماء قد لاحظوا في السابق المرونة الشديدة للرقائق المعدنية حول نقطة انصهارها. إن تسخير هذه الحالة المبتذلة العابرة في بيئة مصممة خصيصًا يسمح للنحاس الساخن والأفلام ثنائية الأبعاد المرفقة بالاندماج لفترة وجيزة ولكن بفعالية مع العوازل المجاورة قبل الانفصال أثناء التبريد.
يستخدم في الياقوت والكوارتز ورقائق اختبار السيليكا على السيليكون القياسية وحتى بلورات نيتريد البورون العازلة، وقد أدى نهج "التخليق غير الفوقي العالمي" (UNS) إلى إنشاء طبقات مواد ثنائية الأبعاد بشكل موثوق تصل إلى بوصات عبر عرض حركة الإلكترون وكثافة العيوب المنخفضة وأمر بلوري واحد ضروري للأجهزة التجارية. غطت الشبكات السداسية السطح بأكمله بشكل موحد في اتجاهات متوازية دون حدود الحبوب. وأكدت التوقيعات الطيفية الحادة جودة الأفلام ونحافتها الشديدة التي تصل إلى 0.3 نانومتر، أي ما يعادل كومة مكونة من 3-4 ذرات فقط.
على الرغم من أن الأمر بسيط من الناحية النظرية، إلا أن تسخير لزوجة سطح المعادن شبه المنصهرة مؤقتًا يثبت أنه ممكن على نطاق واسع. ومع مزيد من التطوير، أصبح لدى الشركات المصنعة الآن طريق مباشر إلى حد معقول لدمج المواد ثنائية الأبعاد مباشرة في خطوط إنتاج أشباه الموصلات باستخدام المعدات القياسية. تقنية UNS قابلة للتعميم إلى ما هو أبعد من أفلام نيتريد الجرافين والبورون. 2 صفائح للانتقال إلى منصات عازلة. ومن خلال النهج القابل للضبط الذي أثبت نجاحه، يمكن للمصنعين الآن دمج المواد الأصلية ثنائية الأبعاد بشكل مباشر في سير عمل إنتاج أشباه الموصلات. يتيح هذا الاختراق على وجه التحديد الجيل التالي من إلكترونيات الجرافين التي تم وضعها نظريًا منذ فترة طويلة ولكنها غير مجدية دون النمو البلوري واسع النطاق الذي تم تحقيقه الآن على الرقائق غير الموصلة. وبعيدًا عن شاشات العرض والإضاءة المرنة، من المحتمل أن تأتي أكبر ترقية في تقنيات الحوسبة التي تكافح من أجل إدامة قانون مور عندما تصل ترانزستورات السيليكون إلى الحدود الذرية. يعد التحرك نحو دوائر مادية ثنائية الأبعاد متكاملة بقفزات هائلة في السرعة والقدرة. ومع فصل نمو الجرافين عن المعادن، أصبح التغليف الكامل أيضًا في متناول اليد. إن وضع طبقات من العوازل التي يبلغ سمكها ذرة واحدة مثل نيتريد البورون حول شبكة الجرافين الموصلة يمكن أن يحمي التفاعلات الكمومية من الاضطراب، مما يمكّن الفيزياء الغريبة مثل الموصلية الفائقة من الاستمرار حتى درجة حرارة الغرفة. يتطلب مثل هذا التراص الدقيق سطحًا أملسًا ذريًا لا يمكن تحقيقه إلا من خلال الترسيب المباشر بأسلوب CVD على ركائز أساسية بدلاً من تقنيات النقل المعرضة للخطأ. من خلال إزالة عنق الزجاجة العنيد للمواد، أضاء الباحثون الطريق نحو تقنيات تمزج القوة الخارجية لتصنيع السيليكون مع القدرة الجوهرية للمواد ثنائية الأبعاد التي تنافس آلاتنا النانوية الأكثر تقدمًا من حيث التعقيد. تبدو الأجهزة المرنة ذات السرعة الهائلة وشهية الطاقة الدقيقة وطول العمر المرن محدودة الآن في الغالب بالخيال.
استراتيجية التوليف العالمي غير المحوري (UNS). أ - د) رسم تخطيطي لعملية التوليف للمواد ثنائية الأبعاد. أ) المرحلة الأولى: يتم وضع رقائق معدنية أحادية البلورة مسبقة الصنع على ركيزة عازلة لتكوين ركيزة عازلة من رقائق معدنية غير لاصقة. ب) المرحلة الثانية: تتم زراعة جزر مادية ثنائية الأبعاد على جانبي الرقاقة المعدنية. ج) المرحلة الثالثة: تبدأ الرقاقة المعدنية في التليين، وتصل إلى حالة شبه منصهرة؛ يتم ضغط طبقة المادة ثنائية الأبعاد على سطح الركيزة العازلة. د) المرحلة الرابعة: تتم إزالة مواد الطبقة العليا ثنائية الأبعاد ورقائق النحاس (2)، مع بقاء طبقة ثنائية الأبعاد على الركيزة العازلة. (أعيد طبعه بإذن من Wiley-VCH Verlag) بالتفصيل في المجلة المواد المتقدمة ("المواد ثنائية الأبعاد أحادية البلورة على نطاق الرقاقة على العوازل")، ركز نهج المجموعة على ركيزة مزدوجة الجوانب "غير ملتصقة" مخصصة مع وجود فجوة بين رقائق النحاس عالية النقاء والعازل المستهدف، مثل الياقوت أو رقائق السيليكون القياسية مع طلاء سطحي مؤكسد. تتدفق الغازات إلى الفراغات بين السطحين، مما يتيح لـ hBN أو الجرافين أن يتبلور في وقت واحد عبر كل من الجزء العلوي والسفلي من الرقاقة من خلال CVD نموذجي عند أكثر من 1000 درجة مئوية داخل الفرن. مباشرة بعد الانتهاء من الترسيب، قام الباحثون بسرعة بزيادة درجات الحرارة بمقدار 50 درجة إضافية لمدة تقل عن دقيقة. أدى هذا الارتفاع القصير إلى وصول رقائق النحاس إلى حالة شبه منصهرة، مما أدى إلى تليين الروابط بين الذرات والسماح للفيلم المتبلور ثنائي الأبعاد على الجانب السفلي بالالتقاء بشكل وثيق بالسطح العازل. ثم يقوم ترسيب ذرات النحاس بملء أي شقوق حيث يتم تبريد العينة تحت الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى تثبيت الجرافين أو hBN بشكل مسطح بدون تجاعيد أو تمزقات.
مباشرة بعد الانتهاء من الترسيب، قام الباحثون بسرعة بزيادة درجات الحرارة بمقدار 50 درجة إضافية لمدة تقل عن دقيقة. أدى الارتفاع القصير إلى إذابة الروابط بين الذرات في النحاس جزئيًا، مما أدى إلى ظهور الفيلم المتبلور ثنائي الأبعاد على الجانب السفلي في اتصال متساطح مع الركيزة العازلة. ترسيب ذرات النحاس يملأ أي شقوق عندما يتم تبريد العينة تحت الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى تثبيت الجرافين أو hBN بشكل مسطح بدون تجاعيد أو تمزقات. أدى نقش النحاس الحمضي إلى إزالة طبقة المحفز المضحية، مما أدى إلى تثبيت الطبقة ثنائية الأبعاد المغطاة بقوة على عازل مناسب لتطبيقات الإلكترونيات.
ينبع الإنجاز الرئيسي من تصميم ركيزة مزدوجة الجوانب "غير ملتصقة". قام الباحثون أولاً بتصنيع رقائق نحاسية أحادية البلورة فائقة النقاء. تم وضع هذا المحفز للنمو ثنائي الأبعاد بلطف فوق السطح العازل المستهدف، مما أدى إلى خلق فجوة بين الطبقتين. سمح هذا الفضاء للغازات الأولية بالوصول بسهولة إلى كلا جانبي الرقاقة، مما أدى إلى نمو صفائح من الذرات المتراصفة سداسية الشكل في وقت واحد في الأعلى والأسفل.
ثبت أن التحكم الدقيق في درجات الحرارة والضغوط وتركيبات الغاز أمر ضروري لتحقيق الكمال البلوري. إن إبقاء الهواء خارجًا يمنع الأكسدة بينما يؤدي التدفق المستمر لغازات الهيدروجين والأرجون إلى تغذية نواة hBN أو الجرافين السلس عبر سطح النحاس بأكمله.
إن الحث المتعمد على الذوبان القريب لمدة تقل عن دقيقة مباشرة بعد النمو كان بمثابة خدعة التصاق الصلصة السرية. وكان العلماء قد لاحظوا في السابق المرونة الشديدة للرقائق المعدنية حول نقطة انصهارها. إن تسخير هذه الحالة المبتذلة العابرة في بيئة مصممة خصيصًا يسمح للنحاس الساخن والأفلام ثنائية الأبعاد المرفقة بالاندماج لفترة وجيزة ولكن بفعالية مع العوازل المجاورة قبل الانفصال أثناء التبريد.
يستخدم في الياقوت والكوارتز ورقائق اختبار السيليكا على السيليكون القياسية وحتى بلورات نيتريد البورون العازلة، وقد أدى نهج "التخليق غير الفوقي العالمي" (UNS) إلى إنشاء طبقات مواد ثنائية الأبعاد بشكل موثوق تصل إلى بوصات عبر عرض حركة الإلكترون وكثافة العيوب المنخفضة وأمر بلوري واحد ضروري للأجهزة التجارية. غطت الشبكات السداسية السطح بأكمله بشكل موحد في اتجاهات متوازية دون حدود الحبوب. وأكدت التوقيعات الطيفية الحادة جودة الأفلام ونحافتها الشديدة التي تصل إلى 0.3 نانومتر، أي ما يعادل كومة مكونة من 3-4 ذرات فقط.
على الرغم من أن الأمر بسيط من الناحية النظرية، إلا أن تسخير لزوجة سطح المعادن شبه المنصهرة مؤقتًا يثبت أنه ممكن على نطاق واسع. ومع مزيد من التطوير، أصبح لدى الشركات المصنعة الآن طريق مباشر إلى حد معقول لدمج المواد ثنائية الأبعاد مباشرة في خطوط إنتاج أشباه الموصلات باستخدام المعدات القياسية. تقنية UNS قابلة للتعميم إلى ما هو أبعد من أفلام نيتريد الجرافين والبورون. 2 صفائح للانتقال إلى منصات عازلة. ومن خلال النهج القابل للضبط الذي أثبت نجاحه، يمكن للمصنعين الآن دمج المواد الأصلية ثنائية الأبعاد بشكل مباشر في سير عمل إنتاج أشباه الموصلات. يتيح هذا الاختراق على وجه التحديد الجيل التالي من إلكترونيات الجرافين التي تم وضعها نظريًا منذ فترة طويلة ولكنها غير مجدية دون النمو البلوري واسع النطاق الذي تم تحقيقه الآن على الرقائق غير الموصلة. وبعيدًا عن شاشات العرض والإضاءة المرنة، من المحتمل أن تأتي أكبر ترقية في تقنيات الحوسبة التي تكافح من أجل إدامة قانون مور عندما تصل ترانزستورات السيليكون إلى الحدود الذرية. يعد التحرك نحو دوائر مادية ثنائية الأبعاد متكاملة بقفزات هائلة في السرعة والقدرة. ومع فصل نمو الجرافين عن المعادن، أصبح التغليف الكامل أيضًا في متناول اليد. إن وضع طبقات من العوازل التي يبلغ سمكها ذرة واحدة مثل نيتريد البورون حول شبكة الجرافين الموصلة يمكن أن يحمي التفاعلات الكمومية من الاضطراب، مما يمكّن الفيزياء الغريبة مثل الموصلية الفائقة من الاستمرار حتى درجة حرارة الغرفة. يتطلب مثل هذا التراص الدقيق سطحًا أملسًا ذريًا لا يمكن تحقيقه إلا من خلال الترسيب المباشر بأسلوب CVD على ركائز أساسية بدلاً من تقنيات النقل المعرضة للخطأ. من خلال إزالة عنق الزجاجة العنيد للمواد، أضاء الباحثون الطريق نحو تقنيات تمزج القوة الخارجية لتصنيع السيليكون مع القدرة الجوهرية للمواد ثنائية الأبعاد التي تنافس آلاتنا النانوية الأكثر تقدمًا من حيث التعقيد. تبدو الأجهزة المرنة ذات السرعة الهائلة وشهية الطاقة الدقيقة وطول العمر المرن محدودة الآن في الغالب بالخيال.
By
مايكل
بيرجر
- مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء:
جمعية النانو: دفع حدود التكنولوجيا,
تقنية النانو: المستقبل صغيرو
هندسة النانو: المهارات والأدوات التي تجعل التكنولوجيا غير مرئية
حقوق الطبع والنشر ©
نانويرك ذ
كن مؤلفًا ضيفًا في Spotlight! انضم إلى مجموعتنا الكبيرة والمتنامية من المساهمين الضيوف. هل نشرت للتو ورقة علمية أو لديك تطورات أخرى مثيرة لمشاركتها مع مجتمع تكنولوجيا النانو؟ إليك كيفية النشر على nanowerk.com.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64590.php
