Transistörler, televizyonlardan dizüstü bilgisayarlara kadar her şeyde kullanılan modern elektroniklerin yapı taşlarıdır. Transistörler küçüldükçe ve kompaktlaştıkça elektronikler de küçüldü; bu nedenle cep telefonunuz avucunuza sığan süper güçlü bir bilgisayardır.

Ancak bir ölçeklendirme sorunu var: Transistörler artık o kadar küçük ki kapatılmaları zor. Anahtar cihaz elemanı, yük taşıyıcılarının (elektronlar gibi) elektrotlar arasında dolaşmasını sağlayan kanaldır. Eğer bu kanal çok kısalırsa, kuantum etkileri Elektronların, yapmamaları gerektiğinde bile etkili bir şekilde bir taraftan diğerine atlamasına izin verir.

Bu boyutlandırma engelini aşmanın bir yolu, kanal olarak yalnızca tek bir atom kalınlığında olan 2 boyutlu malzeme katmanlarını kullanmaktır. Atomik olarak ince kanallar, elektronların elektrotlar arasında geçişini zorlaştırarak daha da küçük transistörlerin etkinleştirilmesine yardımcı olabilir. 2D malzemenin iyi bilinen bir örneği, kaşifleri 2010'da Nobel Fizik Ödülü'nü kazanan grafendir. Ancak başka 2D malzemeler de var ve birçoğu bunların kanal kalınlığını transistörlerin geleceği olduğuna inanıyor ve kanal kalınlığını transistörlerinkinden aşağı ölçeklendirme vaadi veriyor. birkaç nanometrelik (nm, metrenin milyarda biri) mevcut 3D sınırından tek bir nanometre kalınlığına kadar.

Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST), Purdue Üniversitesi, Duke Üniversitesi ve Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi'nden bilim insanlarından oluşan bir ekibe göre, bu alanda araştırmalar hızla artmış olsa da bir konu ısrarla gözden kaçırılıyor. Araştırmacıların üst üste istiflendiğinde düz olmasını amaçladığı 2 boyutlu malzemeler ve arayüzleri aslında düz olmayabilir. Bu düz olmama, cihaz performansını bazen iyi, bazen de kötü yönde önemli ölçüde etkileyebilir.

26 Nisan 2022 sayısında yayınlanan yeni bir çalışmada, ACS NanoAraştırma ekibi, 2D malzemeleri içeren transistör cihazlarındaki bu arayüzlerin düzlüğüne ilişkin ölçümlerinin sonuçlarını rapor ediyor. Bunlar, tam cihaz dizilerindeki bu 2 boyutlu katmanların düzlüğünü nispeten büyük bir ölçekte (daha yaygın olan 12 nm ila 10 nm'nin aksine yaklaşık 100 mikrometre (metrenin milyonda biri)) gösteren yüksek çözünürlüklü mikroskopi görüntülerini alan ilk gruptur. nm aralığı.

Bilim insanları, çeşitli yaygın üretim yöntemlerini kullanarak oluşturdukları cihazlarda bir dizi 2D-2D ve 2D-3D arayüzünü başarıyla görüntüledi. Sonuçları, arayüzlerin düz olmadığı halde düz olduğunu varsaymanın, bu alandaki araştırmacıların fark edebileceğinden çok daha büyük bir sorun olduğunu gösteriyor.

NIST'ten Curt Richter, "Topluluğu gözden kaçan bir sorun konusunda aydınlatıyoruz" dedi. “Yeni malzemelerin benimsenmesini engelliyor. Sorunu çözmenin ilk adımı, bir sorununuz olduğunu bilmektir.”

Potansiyel faydalar arasında bilimsel topluluğa cihazlarının üretimi üzerinde daha fazla kontrol verilmesi yer alıyor.

“2D hakkında anlayış eksikliği arayüzey düzlük, 2 boyutlu malzemelere dayalı cihazların geliştirilmesinde önemli bir engeldir," dedi yayın sırasında NIST ve Purdue Üniversitesi'nden baş yazar Zhihui Cheng. "Düzlüğü angstrom çözünürlüğüne göre ölçmek için bir yöntem ortaya koyduk. Bu, insanlara 2 boyutlu arayüzlerdeki gerilimi ve etkileşimleri keşfetmeleri için birçok pencere açıyor.”

Düşündüğün kadar düz değil

Geleneksel bir transistörde, 3 boyutlu bir kaynak elektrotu, elektronları 3 boyutlu bir kanal üzerinden 3 boyutlu boşaltma elektroduna salar. 2 boyutlu transistörlerde elektronlar 2 boyutlu bir malzeme boyunca hareket eder. Bu farklı malzemelerin buluştuğu alanlara arayüz adı verilmektedir.

Bu arayüzlerdeki düzlük eksikliği, 2 boyutlu malzemeler kullanan cihazlarda akım akışında sorunlara neden olabilir. Örneğin, kaynak metal ile 2D kanal arasında yakın bir fiziksel temas varsa, o zaman aynı zamanda yakın bir elektriksel temas da olacak ve akım düzgün bir şekilde akacaktır. Tersine, 2 boyutlu kanal malzemesi ile kaynak arasındaki boşluklar elektrik kontağını tehlikeye atarak akım akışını azaltır.

Araştırmacılar makalelerinde, nikel kaynağı ve boşaltma elektrotları arasında yapılanlar da dahil olmak üzere, 2 boyutlu kristal molibden disülfitten (MoS) yapılmış bir 2 boyutlu kanal da dahil olmak üzere birkaç farklı 2 boyutlu arayüz türünü araştırıyorlar.₂), kristal altıgen bor nitrür (hBN) ve alüminyum oksitten oluşan kapsülleyici bir katman.

Bilim adamları genellikle cihazın üretim süreci sırasında 2D ve 3D malzemeleri üst üste koyarlar. Örneğin, araştırmacılar bazen 2 boyutlu malzemeleri önceden desenli metal temas noktalarına yığıyorlar. Ancak araştırma ekibi, 2 boyutlu malzemelerin bu tür istiflenmesinin, özellikle temas bölgesine yakın yerlerde düzlükleri üzerinde derin bir etkiye sahip olduğunu buldu. hBN'nin eklenmesi MoS'ye neden oldu₂ kontağın bir tarafında 10 nm'ye kadar deforme olabilir. Temas noktalarından uzaktaki alanlar nispeten düz olma eğilimindeydi, ancak bu alanların bazılarında hala 2 ila 3 nm'lik bir boşluk vardı.

Araştırma ekibi, atomik katman birikiminin (ince bir malzeme katmanı yerleştirmek için kullanılan yaygın bir teknik) 2 boyutlu arayüz düzlüğü üzerindeki etkilerini test ederken, alüminyum oksit ve MoSXNUMX arasında doğrudan bir arayüz olduğunu buldu.₂ hBN ve MoS arasındaki arayüzlerden daha deforme olur₂. Ekip, 3D-2D temas arayüzünün düzlüğünü araştırırken, nikel kontakları ile 2D MoS arasındaki arayüzde şaşırtıcı derecede büyük nano boşlukların oluştuğunu buldu.₂ kanalı.

Bu düz olmayan arayüzleri cihaz performansıyla ilgili gerçek dünyadaki endişelere bağlamak için ekip, bu malzemelerden yapılmış bir transistörün elektriksel özelliklerini test etti. Araştırmacılar, kanala eklenen düz olmayan özelliğin, cihaz performansını gerçekten iyileştirme etkisine sahip olduğunu buldu.

Cheng, "Genel olarak bu sonuçlar, 2D-2D ve 2D-3D arayüzlerinin yapısının üretim sürecinin yanı sıra malzemelere de ne kadar bağlı olduğunu ortaya koyuyor" dedi.

Gözlemlerini yapmak için grup, görüntüleri tek atom seviyesine kadar çözümleyebilen bir tür yüksek çözünürlüklü taramalı transmisyon elektron mikroskobu (taramalı TEM) kullandı.

Richter, "Bu alanın büyük bir kısmı saf araştırmadır" dedi. "İnsanlar bir veya iki cihaz yapacak ve bir mikroskop uzmanına parçalaması için verebilecekleri ekstralara sahip değiller." Bu çalışmada ise asıl amaç cihazları yapmak ve ardından analiz etmekti.

Richter, "Ölçümlerde çok özel bir şey yapmadık" diye devam etti. "Ancak elektriksel ölçüm teknik bilgisi ile yüksek çözünürlüklü TEM uzmanlığının birleşimi, bu pek sık görülen bir şey değil."

Cheng, "Kesitsel TEM'deki angstrom altı çözünürlük ve kayıt uzunluğunun yanı sıra cihaz özellikleriyle olan korelasyon sayesinde, çalışmamız 2 boyutlu arayüzlerin karmaşıklığı ve karmaşıklığı hakkındaki bakış açılarını genişletti ve derinleştirdi" dedi.

Herkese faydası olan

Araştırmacılar, çalışmanın uygulamalarının, 2 boyutlu düzlüğün önemli bir katkıda bulunan faktör olduğu, cihazdan cihaza istenmeyen varyasyonun azaltılmasını içerdiğini söyledi.

Görüntüleme yöntemi aynı zamanda bilim adamlarının üretim üzerinde daha fazla kontrol sahibi olmasına da yardımcı olabilir. Bazı işlemler, 2 boyutlu yapılara mekanik gerginlik katar, onları sıkılmış bir bez gibi büker veya bir akordeon gibi ezip gerer. Bu, bir cihazın performansını, bilim adamlarının henüz tam olarak anlayamadığı, öngörülemeyen şekillerde değiştirebilir. Gerginliğin cihaz performansını nasıl etkilediğinin daha iyi anlaşılması, araştırmacılara bu performans üzerinde daha fazla kontrol sağlayabilir.

Richter, "Zorlanma her zaman kötü bir şey değildir" dedi. "İnsanların bugün ürettiği üst düzey transistörler aslında daha iyi çalışmalarını sağlayacak yerleşik bir gerilime sahip. 2D ile malzemeler bunun nasıl yapılacağı o kadar açık değil ama istediğiniz gerilimi yaratmak için düz olmayışı kullanmak mümkün olabilir."

Yazarlar, çalışmalarının 2 boyutlu arayüzler için düzlük ölçümlerinin çözünürlüğünü, hatta angstrom altı çözünürlüğe kadar artırmaya yönelik yeni çabalara ilham vereceğini umuyorlar.

Cheng, "Bazı ön verilerimiz var, ancak bu aslında bu soruşturmanın sadece başlangıcı" dedi.