절연 기판 위의 원자적으로 얇은 재료를 위한 대규모 성장 방법

06년 2024월 XNUMX일 (나노 워크 스포트라이트) 그래 핀 2004년 처음 분리된 순간부터 엄청난 강도와 속도로 과학자와 투자자를 놀라게 했습니다. 육각형 격자에 탄소 원자 단층으로 구성된 이 100차원 경이로운 물질은 플렉서블 디스플레이에서 태양광 패널에 이르기까지 모든 것에 혁명을 일으킬 가능성을 보여주었습니다. 양자 컴퓨팅에. 열성팬들은 강철보다 가벼운 초강력 그래핀 복합재, 저항이 전혀 없는 무손실 전력선, 실리콘보다 XNUMX배 더 효율적인 실온 초전도체를 예측했습니다. 유일한 캐치? 그래핀은 전자 장치에 통합하는 데 절대적으로 필요한 절연 기판에서 자연적으로 성장하지 않았습니다. 대신, 현대 마이크로칩 제조와 호환되지 않는 금속 위에서 쉽게 결정화되었습니다. 역사적으로 그래핀과 층상 hBN 결정의 초박형 탄소 격자는 화학 기상 증착(CVD)을 통해 구리와 같은 금속에서만 안정적으로 생산될 수 있었습니다. 기초 연구에는 유용하지만 금속 기판은 실제 응용을 방해합니다. 그래핀을 현대 실리콘 전자 장치에 통합하기 위해 과학자들은 2D 소재 필름 다단계 "습식" 화학 공정을 통해 플라스틱이나 산화규소와 같은 비전도성 표면에 도포합니다. 그러나 폴리머 잔류물로 인해 필름이 오염되는 경우가 많았고 변형 시 접착력이 약해 성능에 유해한 균열과 결함이 발생했습니다. 거의 20년 동안 연구자들은 성능 저하 없이 그래핀 및 적층형 육각형 질화붕소와 같은 유망한 2D 재료를 비전도성 기초로 전환하는 더 나은 방법을 추구했습니다. 2D 층을 절연체 위에 직접 증착하려는 초기 시도는 원자 구조의 차이로 인해 크게 실패했습니다. 그래핀과 hBN은 모두 육각형 대칭과 일치하는 견고한 금속 표면 위에서 가장 잘 결정화됩니다. 유리와 같은 비정질 절연체는 질서 있는 2D 성장을 안내하는 템플릿을 제공하지 않습니다. 반응을 강제하기 위해 고열 또는 펄스 레이저를 활용하는 과거 기술은 대량 생산에 부적합한 얼룩이 있고 결함이 있는 2D 재료 패치를 제공했습니다. 와 함께 트랜지스터 단일 나노미터 규모로 확장하면 수십 개의 원자에 걸친 결함으로 인해 장치가 단락될 수 있습니다. 이제 업계에 잠재적인 이익이 될 것으로 예상되는 연구자들은 다양한 절연 플랫폼에서 웨이퍼 규모의 단결정 그래핀 및 hBN 층을 생성하기 위한 확장 가능한 수단을 발견했다고 보고합니다. 증착 공정을 강력하게 준비하는 대신 수석 저자인 Junzhu Li와 Xixiang Zhang은 녹는점 근처에서 얇은 금속 호일을 연화시키는 방법을 교묘하게 활용했습니다. 성장은 여전히 전통적인 구리 촉매에서 발생했지만 나노미터 크기에서 포일은 아래에 있는 비전도성 기판과 긴밀하게 결합할 수 있는 유연한 상태에 잠시 도달했습니다. 2D 재료를 위한 보편적인 비에피택셜 합성 전략

범용 비에피택셜 합성(UNS) 전략. a-d) 2D 재료의 합성 공정 개략도. a) 단계 I: 조립식 단결정 금속 호일을 절연 기판 위에 배치하여 접착되지 않은 금속 호일-절연체 기판을 형성합니다. b) 단계 II: 2D 재료 아일랜드가 금속 호일의 양면에서 성장됩니다. c) 단계 III: 금속 호일이 부드러워지기 시작하여 거의 녹은 상태에 도달합니다. 2D 재료층은 절연 기판 표면에 압착됩니다. d) 단계 IV: 상부 층 2D 재료와 Cu(111) 포일이 제거되고 2D 층은 절연 기판에 남아 있습니다. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄됨) 저널에 자세히 설명되어 있음 고급 재료 (“절연체 위의 비복축 웨이퍼 스케일 단결정 2D 재료”), 그룹의 접근 방식은 산화 표면 코팅이 된 사파이어 또는 표준 실리콘 웨이퍼와 같은 대상 절연체와 고순도 구리 호일 사이에 간격이 있는 맞춤형 "비접착" 양면 기판에 중점을 두었습니다. 두 표면 사이의 공간으로 가스가 흘러 hBN 또는 그래핀이 용광로 내부에서 섭씨 1000도 이상에서 일반적인 CVD를 통해 호일의 상단과 하단에 동시에 결정화될 수 있습니다. 증착이 완료된 직후 연구원들은 50분도 안 되는 시간 동안 온도를 XNUMX도 더 빠르게 높였습니다. 이 짧은 스파이크로 인해 구리 호일이 거의 용융 상태가 되었고, 원자간 결합이 부드러워졌으며 밑면의 결정화된 2D 필름이 절연 표면과 밀접하게 만날 수 있게 되었습니다. 샘플이 대기 하에서 냉각됨에 따라 구리 원자의 침전이 모든 틈새를 채워 주름이나 찢김 없이 그래핀 또는 hBN 플랫을 접합했습니다. 증착이 완료된 직후 연구원들은 50분도 안 되는 시간 동안 온도를 XNUMX도 더 빠르게 높였습니다. 짧은 스파이크는 구리의 원자간 결합을 부분적으로 녹여 밑면의 결정화된 2D 필름을 절연 기판과 같은 높이로 접촉시킵니다. 샘플이 대기 중에서 냉각됨에 따라 구리 원자의 침전이 모든 틈새를 채워 주름이나 찢김 없이 그래핀 또는 hBN 플랫을 접합했습니다. 산성 구리 식각액이 희생 촉매층을 씻어냈고 이제 위에 놓인 2D 시트를 전자 응용 분야에 적합한 절연체에 단단히 고정했습니다. 핵심 혁신은 '비접착' 양면 기판 설계에서 비롯됩니다. 연구진은 처음으로 초순수 단결정 구리박을 제작했다. 2D 성장을 위한 이 촉매는 목표 절연 표면 위에 부드럽게 배치되어 두 층 사이에 간격을 만듭니다. 이 공간은 전구체 가스가 포일의 양쪽 측면에 쉽게 접근할 수 있도록 하여 육각형으로 정렬된 원자 시트를 상단과 하단에 동시에 성장시켰습니다. 온도, 압력 및 가스 구성을 세심하게 제어하는 것은 결정의 완벽함을 위해 필수적인 것으로 입증되었습니다. 공기를 차단하면 산화가 방지되는 반면, 수소와 아르곤 가스의 연속적인 흐름은 전체 구리 표면에 걸쳐 부드러운 hBN 또는 그래핀 핵 생성을 촉진합니다. 성장 직후 1분도 안 되는 시간 동안 일부러 녹을 정도까지 유도한 것이 소스 접착 비법이었습니다. 과학자들은 이전에 녹는점 부근에서 금속박의 극도의 가단성을 발견했습니다. 맞춤형 환경에서 일시적으로 끈적거리는 상태를 활용하면 뜨거운 구리와 부착된 2D 필름이 냉각 중에 분리되기 전에 인접 절연체와 짧지만 효과적으로 융합될 수 있습니다. 사파이어, 석영, 표준 실리카-온-실리콘 테스트 웨이퍼 및 절연성 질화붕소 결정에 사용되는 "범용 비에피택시 합성"(UNS) 접근 방식은 전자 이동도, 낮은 결함 밀도를 표시하는 최대 인치까지 2D 재료 층을 안정적으로 생성했습니다. 상용소자에 필요한 단결정질서와 육각형 격자는 결정립 경계 없이 정렬된 방향으로 전체 표면을 균일하게 덮었습니다. 날카로운 분광학 시그니처를 통해 필름의 품질과 0.3나노미터까지의 극단적인 두께가 확인되었습니다. 이는 단 3~4개의 원자 스택에 해당합니다. 개념적으로는 단순하지만 거의 용융된 금속의 표면 끈적임을 순간적으로 활용하는 것이 광범위하게 가능하다는 것이 입증되었습니다. 추가 개발을 통해 제조업체는 이제 표준 장비를 사용하여 2D 재료를 반도체 생산 라인에 직접 통합할 수 있는 비교적 간단한 경로를 갖게 되었습니다. UNS 기술은 그래핀 및 질화붕소 필름을 넘어 일반화 가능합니다. 2 단열 플랫폼으로 이동할 시트. 조정 가능한 접근 방식이 입증됨에 따라 제조업체는 이제 깨끗한 2D 재료를 반도체 생산 워크플로에 직접 통합할 수 있습니다. 이 획기적인 발전은 특히 오랫동안 이론화되어 있었지만 현재 비전도성 웨이퍼에서 달성되는 대규모 결정 성장 없이는 실현 불가능한 차세대 그래핀 전자 장치를 가능하게 합니다. 유연한 디스플레이와 조명 외에도 실리콘 트랜지스터가 원자 한계에 도달함에 따라 무어의 법칙을 영속시키기 위해 고군분투하는 컴퓨팅 기술에서 가장 큰 업그레이드가 이루어질 가능성이 높습니다. 통합된 2D 재료 회로로 전환하면 속도와 기능이 계속해서 기하급수적으로 향상될 것입니다. 그래핀 성장이 금속에서 분리됨에 따라 완전한 캡슐화도 가능해졌습니다. 전도성 그래핀 격자 주위에 질화붕소와 같은 단일 원자 두께의 절연체를 적층하면 양자 상호 작용이 방해받지 않도록 보호할 수 있어 초전도성과 같은 이국적인 물리학이 실온까지 지속될 수 있습니다. 이러한 정밀한 적층에는 오류가 발생하기 쉬운 전사 기술이 아닌 기본 기판에 직접 CVD 스타일 증착을 통해서만 가능한 원자적으로 매끄러운 표면이 필요합니다. 완고한 재료 병목 현상을 제거함으로써 연구자들은 실리콘 제조의 외부 능력과 복잡성 면에서 가장 진보된 나노 규모 기계에 필적하는 XNUMX차원 재료의 본질적인 기능을 혼합하는 기술을 향한 길을 밝혔습니다. 엄청난 속도, 미세한 에너지 소비량, 탄력적인 수명을 갖춘 유연한 장치는 이제 대부분 상상의 영역에 국한되는 것처럼 보입니다.

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마이클
버거