06 (Nanowerk-Scheinwerfer) Graphene Seit seiner ersten Isolierung im Jahr 2004 faszinierte es Wissenschaftler und Investoren mit seiner enormen Stärke und Geschwindigkeit. Das zweidimensionale Wundermaterial bestand aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen in einem hexagonalen Gitter und zeigte das Potenzial, alles zu revolutionieren, von flexiblen Displays bis hin zu Solarpaneelen zum Quantencomputing. Enthusiasten sagten ultrastarke Graphen-Verbundwerkstoffe voraus, die leichter als Stahl sind, verlustfreie Stromleitungen ohne Widerstand und Supraleiter bei Raumtemperatur, die 100-mal effizienter als Silizium sind. Der einzige Haken? Graphen wuchs nicht auf natürliche Weise auf den isolierenden Substraten, die für den Einbau in elektronische Geräte unbedingt erforderlich sind. Stattdessen kristallisierte es leicht auf Metallen, die mit der modernen Mikrochip-Herstellung nicht kompatibel waren. Historisch gesehen konnte das ultradünne Kohlenstoffgitter von Graphen und geschichteten hBN-Kristallen nur durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) zuverlässig auf Metallen wie Kupfer hergestellt werden. Obwohl Metallsubstrate für die Grundlagenforschung nützlich sind, beeinträchtigen sie praktische Anwendungen. Um Graphen in die moderne Siliziumelektronik zu integrieren, haben Wissenschaftler einen Schritt gemacht 2D-Materialfilme auf nichtleitenden Oberflächen wie Kunststoffen oder Siliziumoxid durch mehrstufige „nasse“ chemische Prozesse. Polymerrückstände verunreinigten jedoch häufig die Filme und die Verklebung erwies sich unter Belastung als schwach, was zu Rissen und Defekten führte, die die Leistung beeinträchtigten. Fast 20 Jahre lang suchten Forscher nach besseren Methoden, um vielversprechende 2D-Materialien wie Graphen und geschichtetes hexagonales Bornitrid auf nichtleitende Grundlagen zu übertragen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Frühere Versuche, 2D-Schichten direkt auf Isolatoren abzuscheiden, scheiterten größtenteils an der unterschiedlichen Atomstruktur. Graphen und hBN kristallisieren beide am besten auf starren Metalloberflächen mit passender hexagonaler Symmetrie. Amorphe Isolatoren wie Glas bieten keine Schablone, die ein geordnetes 2D-Wachstum steuert. Frühere Techniken, bei denen hohe Hitze oder gepulste Laser zum Erzwingen von Reaktionen eingesetzt wurden, führten zu fleckigen, fehlerhaften Stellen aus 2D-Materialien, die für die Massenproduktion ungeeignet waren. Mit Transistoren Im Nanometerbereich können Unvollkommenheiten, die nur Dutzende von Atomen umfassen, ein Gerät kurzschließen. Forscher berichten von der Entdeckung eines skalierbaren Mittels zur Erzeugung einkristalliner Graphen- und hBN-Schichten im Wafermaßstab auf verschiedenen Isolierplattformen, was nun ein potenzieller Segen für die Industrie ist. Anstatt den Abscheidungsprozess stark zu verstärken, nutzten die Hauptautoren Junzhu Li und Xixiang Zhang geschickt die Erweichung dünner Metallfolien nahe ihrem Schmelzpunkt. Auf herkömmlichen Kupferkatalysatoren kam es immer noch zu Wachstum, aber bei Nanometerdimensionen erreichten die Folien kurzzeitig einen biegsamen Zustand, der eine enge Bindung mit darunter liegenden nichtleitenden Substraten ermöglichte.
Strategie der universellen nichtepitaktischen Synthese (UNS). a–d) Schematische Darstellung des Syntheseprozesses für 2D-Materialien. a) Stufe I: Vorgefertigte einkristalline Metallfolie wird auf ein isolierendes Substrat gelegt, um ein nicht haftendes Metallfolien-Isolator-Substrat zu bilden. b) Stufe II: Auf beiden Seiten der Metallfolie entstehen 2D-Materialinseln. c) Stufe III: Die Metallfolie beginnt zu erweichen und erreicht einen nahezu geschmolzenen Zustand; Die 2D-Materialschicht wird auf die isolierende Substratoberfläche gepresst. d) Stufe IV: Die 2D-Materialien der oberen Schicht und die Cu(111)-Folie werden entfernt, wobei eine 2D-Schicht auf dem isolierenden Substrat verbleibt. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Ausführlich in der Zeitschrift Fortgeschrittene Werkstoffe („Nichtpitaxiale einkristalline 2D-Materialien im Wafermaßstab auf Isolatoren“) konzentrierte sich der Ansatz der Gruppe auf ein maßgeschneidertes „nicht haftendes“ doppelseitiges Substrat mit einer Lücke zwischen einer hochreinen Kupferfolie und dem Zielisolator, wie Saphir oder Standard-Siliziumwafern mit einer oxidierten Oberflächenbeschichtung. Gase strömten in die Räume zwischen den beiden Oberflächen und ermöglichten die gleichzeitige Kristallisation von hBN oder Graphen auf der Ober- und Unterseite der Folie durch typische CVD bei über 1000 Grad Celsius in einem Ofen. Unmittelbar nach Abschluss der Abscheidung erhöhten die Forscher die Temperaturen für weniger als eine Minute schnell um weitere 50 Grad. Diese kurze Spitze brachte die Kupferfolie in einen nahezu geschmolzenen Zustand, wodurch interatomare Bindungen aufgeweicht wurden und der kristallisierte 2D-Film auf der Unterseite eng mit der isolierenden Oberfläche in Kontakt kam. Die Sedimentation von Kupferatomen füllte dann alle Spalten, während die Probe unter Atmosphäre abkühlte, und zementierte Graphen oder hBN flach ohne Falten oder Risse.
Unmittelbar nach Abschluss der Abscheidung erhöhten die Forscher die Temperaturen für weniger als eine Minute schnell um weitere 50 Grad. Durch die kurze Spitze wurden interatomare Bindungen im Kupfer teilweise geschmolzen, wodurch der kristallisierte 2D-Film auf der Unterseite in bündigen Kontakt mit dem isolierenden Substrat gelangte. Die Sedimentation von Kupferatomen füllte alle Spalten, als die Probe unter Atmosphäre abkühlte, und zementierte Graphen oder hBN flach ohne Falten oder Risse. Ein saures Kupferätzmittel wusch die Opferkatalysatorschicht weg und fixiert nun die darüber liegende 2D-Folie fest mit einem Isolator, der für elektronische Anwendungen geeignet ist.
Der entscheidende Durchbruch resultiert aus der Entwicklung eines „nicht haftenden“ doppelseitigen Substrats. Die Forscher stellten zunächst eine hochreine einkristalline Kupferfolie her. Dieser Katalysator für das 2D-Wachstum wurde vorsichtig auf die isolierende Zieloberfläche gelegt, wodurch eine Lücke zwischen den beiden Schichten entstand. Der Raum ermöglichte den Vorläufergasen den einfachen Zugang zu beiden Seiten der Folie, wodurch auf der Ober- und Unterseite gleichzeitig Schichten aus hexagonal ausgerichteten Atomen wuchsen.
Die sorgfältige Kontrolle von Temperaturen, Drücken und Gaszusammensetzungen erwies sich als entscheidend für die Perfektion der Kristalle. Das Eindringen von Luft verhinderte eine Oxidation, während ein kontinuierlicher Fluss von Wasserstoff- und Argongasen eine gleichmäßige hBN- oder Graphen-Keimbildung auf der gesamten Kupferoberfläche ermöglichte.
Als geheimer Soßenhaftungstrick diente das bewusste Induzieren eines Beinahe-Schmelzens für weniger als eine Minute direkt nach dem Wachstum. Wissenschaftlern war bereits zuvor die extreme Formbarkeit von Metallfolien um ihren Schmelzpunkt aufgefallen. Durch die Nutzung dieses vorübergehend klebrigen Zustands in einer maßgeschneiderten Umgebung können heißes Kupfer und daran befestigte 2D-Filme kurz, aber effektiv mit angrenzenden Isolatoren verschmelzen, bevor sie sich beim Abkühlen trennen.
Der Ansatz der „universellen nicht-epitaktischen Synthese“ (UNS) wird auf Saphir-, Quarz-, Standard-Silizium-auf-Silizium-Testwafern und sogar isolierenden Bornitridkristallen angewendet und erzeugt zuverlässig zweidimensionale Materialschichten mit einem Durchmesser von bis zu Zoll, die Elektronenmobilität und eine geringe Defektdichte aufweisen und einkristalline Ordnung, die für kommerzielle Geräte erforderlich ist. Sechseckige Gitter bedeckten gleichmäßig die gesamte Oberfläche in ausgerichteten Ausrichtungen ohne Korngrenzen. Scharfe spektroskopische Signaturen bestätigten die Qualität und extreme Dünnheit der Filme bis zu 0.3 Nanometern, was einem Stapel von nur 3 bis 4 Atomen entspricht.
Obwohl das Konzept einfach ist, erweist sich die vorübergehende Nutzung der Oberflächenklebrigkeit von nahezu geschmolzenen Metallen als weitgehend erfolgsversprechend. Mit der Weiterentwicklung steht den Herstellern nun eine einigermaßen einfache Möglichkeit zur Verfügung, 2D-Materialien mithilfe von Standardgeräten direkt in Halbleiterproduktionslinien zu integrieren. Die UNS-Technik ist weit über Graphen- und Bornitridfilme hinaus verallgemeinerbar. 2 Platten zum Verschieben auf Isolierplattformen. Mit einem anpassungsfähigen Ansatz, der sich bewährt hat, können Hersteller jetzt makellose 2D-Materialien direkt in Halbleiterproduktionsabläufe integrieren. Der Durchbruch ermöglicht insbesondere die Graphen-Elektronik der nächsten Generation, die lange Zeit theoretisiert, aber ohne das großflächige Kristallwachstum, das jetzt auf nichtleitenden Wafern erreicht wird, nicht realisierbar ist. Abgesehen von flexiblen Displays und Beleuchtung wird die größte Verbesserung wahrscheinlich bei Computertechnologien stattfinden, die darum kämpfen, das Mooresche Gesetz aufrechtzuerhalten, da Siliziumtransistoren an atomare Grenzen stoßen. Der Übergang zu integrierten 2D-Materialkreisläufen verspricht weiterhin exponentielle Geschwindigkeits- und Leistungssprünge. Da das Wachstum von Graphen von Metallen entkoppelt ist, rückt auch eine vollständige Einkapselung in greifbare Nähe. Die Schichtung von einatomigen Isolatoren wie Bornitrid um das leitfähige Graphengitter könnte Quantenwechselwirkungen vor Störungen schützen und es ermöglichen, dass exotische Physik wie die Supraleitung bis zur Raumtemperatur bestehen bleibt. Eine solche präzise Stapelung erfordert eine atomar glatte Oberfläche, die nur durch direkte CVD-Abscheidung auf Basissubstraten und nicht durch fehleranfällige Übertragungstechniken möglich ist. Durch die Beseitigung eines hartnäckigen Materialengpasses ebneten die Forscher den Weg zu Technologien, die die äußere Kraft der Siliziumherstellung mit der intrinsischen Fähigkeit zweidimensionaler Materialien verbinden und in ihrer Komplexität mit unseren fortschrittlichsten Nanomaschinen konkurrieren. Flexible Geräte mit enormer Geschwindigkeit, geringem Energiebedarf und belastbarer Langlebigkeit scheinen heute größtenteils durch die Vorstellungskraft begrenzt zu sein.
Strategie der universellen nichtepitaktischen Synthese (UNS). a–d) Schematische Darstellung des Syntheseprozesses für 2D-Materialien. a) Stufe I: Vorgefertigte einkristalline Metallfolie wird auf ein isolierendes Substrat gelegt, um ein nicht haftendes Metallfolien-Isolator-Substrat zu bilden. b) Stufe II: Auf beiden Seiten der Metallfolie entstehen 2D-Materialinseln. c) Stufe III: Die Metallfolie beginnt zu erweichen und erreicht einen nahezu geschmolzenen Zustand; Die 2D-Materialschicht wird auf die isolierende Substratoberfläche gepresst. d) Stufe IV: Die 2D-Materialien der oberen Schicht und die Cu(111)-Folie werden entfernt, wobei eine 2D-Schicht auf dem isolierenden Substrat verbleibt. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Ausführlich in der Zeitschrift Fortgeschrittene Werkstoffe („Nichtpitaxiale einkristalline 2D-Materialien im Wafermaßstab auf Isolatoren“) konzentrierte sich der Ansatz der Gruppe auf ein maßgeschneidertes „nicht haftendes“ doppelseitiges Substrat mit einer Lücke zwischen einer hochreinen Kupferfolie und dem Zielisolator, wie Saphir oder Standard-Siliziumwafern mit einer oxidierten Oberflächenbeschichtung. Gase strömten in die Räume zwischen den beiden Oberflächen und ermöglichten die gleichzeitige Kristallisation von hBN oder Graphen auf der Ober- und Unterseite der Folie durch typische CVD bei über 1000 Grad Celsius in einem Ofen. Unmittelbar nach Abschluss der Abscheidung erhöhten die Forscher die Temperaturen für weniger als eine Minute schnell um weitere 50 Grad. Diese kurze Spitze brachte die Kupferfolie in einen nahezu geschmolzenen Zustand, wodurch interatomare Bindungen aufgeweicht wurden und der kristallisierte 2D-Film auf der Unterseite eng mit der isolierenden Oberfläche in Kontakt kam. Die Sedimentation von Kupferatomen füllte dann alle Spalten, während die Probe unter Atmosphäre abkühlte, und zementierte Graphen oder hBN flach ohne Falten oder Risse.
Unmittelbar nach Abschluss der Abscheidung erhöhten die Forscher die Temperaturen für weniger als eine Minute schnell um weitere 50 Grad. Durch die kurze Spitze wurden interatomare Bindungen im Kupfer teilweise geschmolzen, wodurch der kristallisierte 2D-Film auf der Unterseite in bündigen Kontakt mit dem isolierenden Substrat gelangte. Die Sedimentation von Kupferatomen füllte alle Spalten, als die Probe unter Atmosphäre abkühlte, und zementierte Graphen oder hBN flach ohne Falten oder Risse. Ein saures Kupferätzmittel wusch die Opferkatalysatorschicht weg und fixiert nun die darüber liegende 2D-Folie fest mit einem Isolator, der für elektronische Anwendungen geeignet ist.
Der entscheidende Durchbruch resultiert aus der Entwicklung eines „nicht haftenden“ doppelseitigen Substrats. Die Forscher stellten zunächst eine hochreine einkristalline Kupferfolie her. Dieser Katalysator für das 2D-Wachstum wurde vorsichtig auf die isolierende Zieloberfläche gelegt, wodurch eine Lücke zwischen den beiden Schichten entstand. Der Raum ermöglichte den Vorläufergasen den einfachen Zugang zu beiden Seiten der Folie, wodurch auf der Ober- und Unterseite gleichzeitig Schichten aus hexagonal ausgerichteten Atomen wuchsen.
Die sorgfältige Kontrolle von Temperaturen, Drücken und Gaszusammensetzungen erwies sich als entscheidend für die Perfektion der Kristalle. Das Eindringen von Luft verhinderte eine Oxidation, während ein kontinuierlicher Fluss von Wasserstoff- und Argongasen eine gleichmäßige hBN- oder Graphen-Keimbildung auf der gesamten Kupferoberfläche ermöglichte.
Als geheimer Soßenhaftungstrick diente das bewusste Induzieren eines Beinahe-Schmelzens für weniger als eine Minute direkt nach dem Wachstum. Wissenschaftlern war bereits zuvor die extreme Formbarkeit von Metallfolien um ihren Schmelzpunkt aufgefallen. Durch die Nutzung dieses vorübergehend klebrigen Zustands in einer maßgeschneiderten Umgebung können heißes Kupfer und daran befestigte 2D-Filme kurz, aber effektiv mit angrenzenden Isolatoren verschmelzen, bevor sie sich beim Abkühlen trennen.
Der Ansatz der „universellen nicht-epitaktischen Synthese“ (UNS) wird auf Saphir-, Quarz-, Standard-Silizium-auf-Silizium-Testwafern und sogar isolierenden Bornitridkristallen angewendet und erzeugt zuverlässig zweidimensionale Materialschichten mit einem Durchmesser von bis zu Zoll, die Elektronenmobilität und eine geringe Defektdichte aufweisen und einkristalline Ordnung, die für kommerzielle Geräte erforderlich ist. Sechseckige Gitter bedeckten gleichmäßig die gesamte Oberfläche in ausgerichteten Ausrichtungen ohne Korngrenzen. Scharfe spektroskopische Signaturen bestätigten die Qualität und extreme Dünnheit der Filme bis zu 0.3 Nanometern, was einem Stapel von nur 3 bis 4 Atomen entspricht.
Obwohl das Konzept einfach ist, erweist sich die vorübergehende Nutzung der Oberflächenklebrigkeit von nahezu geschmolzenen Metallen als weitgehend erfolgsversprechend. Mit der Weiterentwicklung steht den Herstellern nun eine einigermaßen einfache Möglichkeit zur Verfügung, 2D-Materialien mithilfe von Standardgeräten direkt in Halbleiterproduktionslinien zu integrieren. Die UNS-Technik ist weit über Graphen- und Bornitridfilme hinaus verallgemeinerbar. 2 Platten zum Verschieben auf Isolierplattformen. Mit einem anpassungsfähigen Ansatz, der sich bewährt hat, können Hersteller jetzt makellose 2D-Materialien direkt in Halbleiterproduktionsabläufe integrieren. Der Durchbruch ermöglicht insbesondere die Graphen-Elektronik der nächsten Generation, die lange Zeit theoretisiert, aber ohne das großflächige Kristallwachstum, das jetzt auf nichtleitenden Wafern erreicht wird, nicht realisierbar ist. Abgesehen von flexiblen Displays und Beleuchtung wird die größte Verbesserung wahrscheinlich bei Computertechnologien stattfinden, die darum kämpfen, das Mooresche Gesetz aufrechtzuerhalten, da Siliziumtransistoren an atomare Grenzen stoßen. Der Übergang zu integrierten 2D-Materialkreisläufen verspricht weiterhin exponentielle Geschwindigkeits- und Leistungssprünge. Da das Wachstum von Graphen von Metallen entkoppelt ist, rückt auch eine vollständige Einkapselung in greifbare Nähe. Die Schichtung von einatomigen Isolatoren wie Bornitrid um das leitfähige Graphengitter könnte Quantenwechselwirkungen vor Störungen schützen und es ermöglichen, dass exotische Physik wie die Supraleitung bis zur Raumtemperatur bestehen bleibt. Eine solche präzise Stapelung erfordert eine atomar glatte Oberfläche, die nur durch direkte CVD-Abscheidung auf Basissubstraten und nicht durch fehleranfällige Übertragungstechniken möglich ist. Durch die Beseitigung eines hartnäckigen Materialengpasses ebneten die Forscher den Weg zu Technologien, die die äußere Kraft der Siliziumherstellung mit der intrinsischen Fähigkeit zweidimensionaler Materialien verbinden und in ihrer Komplexität mit unseren fortschrittlichsten Nanomaschinen konkurrieren. Flexible Geräte mit enormer Geschwindigkeit, geringem Energiebedarf und belastbarer Langlebigkeit scheinen heute größtenteils durch die Vorstellungskraft begrenzt zu sein.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
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