06 Şubat 2024 (Nanowerk Gündemi) Grafen 2004 yılında ilk izole edildiği andan itibaren muazzam gücü ve hızıyla bilim adamlarının ve yatırımcıların gözlerini kamaştırdı. Altıgen bir kafes içinde tek bir karbon atomu katmanından oluşan iki boyutlu harika malzeme, esnek ekranlardan güneş panellerine kadar her şeyde devrim yaratma potansiyeli gösterdi. kuantum hesaplamaya. Meraklılar, çelikten daha hafif, ultra güçlü grafen kompozitlerin, sıfır dirençli kayıpsız enerji hatlarının ve oda sıcaklığındaki süper iletkenlerin silikondan 100 kat daha verimli olduğunu öngördü. Tek yakalama mı? Grafen, elektronik cihazlara dahil edilmesi için kesinlikle gerekli olan yalıtkan yüzeylerde doğal olarak büyümedi. Bunun yerine, modern mikroçip üretimiyle bağdaşmayan metaller üzerinde kolaylıkla kristalleşti. Tarihsel olarak, grafen ve katmanlı hBN kristallerinden oluşan ultra ince karbon kafesi, yalnızca bakır gibi metaller üzerinde kimyasal buhar biriktirme (CVD) yoluyla güvenilir bir şekilde üretilebiliyordu. Temel araştırmalar için yararlı olsa da, metal yüzeyler pratik uygulamalara müdahale eder. Bilim insanları, grafeni modern silikon elektroniğine entegre etmek için 2D malzeme filmleri çok adımlı "ıslak" kimya işlemleri yoluyla plastik veya silikon oksit gibi iletken olmayan yüzeylere. Bununla birlikte, polimer kalıntıları sıklıkla filmleri kirletiyor ve gerilim altında bağın zayıf olduğu ortaya çıkıyor, bu da performans açısından zararlı çatlaklar ve kusurlar bırakıyor. Neredeyse 20 yıl boyunca araştırmacılar, grafen ve katmanlı altıgen bor nitrür gibi gelecek vaat eden 2 boyutlu malzemeleri, performanstan ödün vermeden iletken olmayan temeller üzerine dönüştürmek için daha iyi yöntemlerin peşindeydi. 2D katmanları doğrudan yalıtkanların üzerine yerleştirmeye yönelik daha önceki girişimler, atom yapısındaki farklılıklar nedeniyle büyük ölçüde başarısız oldu. Grafen ve hBN, eşleşen altıgen simetriye sahip sert metal yüzeylerin üzerinde en iyi şekilde kristalleşir. Cam gibi amorf yalıtkanlar, düzenli 2 boyutlu büyümeyi yönlendiren hiçbir şablon sağlamaz. Reaksiyonları zorlamak için yüksek ısı veya darbeli lazerler kullanan geçmiş teknikler, seri üretime uygun olmayan 2 boyutlu malzemelerin lekeli, kusurlu parçalarını sağladı. İle transistörler Tek nanometre ölçeğine sığdırıldığında, yalnızca düzinelerce atomu kapsayan kusurlar bir cihazda kısa devre yapabilir. Artık endüstri için potansiyel bir nimet olan araştırmacılar, çeşitli yalıtım platformlarında levha ölçeğinde, tek kristalli grafen ve hBN katmanları üretmek için ölçeklenebilir bir araç keşfettiklerini bildiriyorlar. Biriktirme sürecini güçlendirmek yerine, baş yazarlar Junzhu Li ve Xixiang Zhang, ince metal folyoların erime noktalarına yakın yumuşamalarından akıllıca yararlandılar. Büyüme hala geleneksel bakır katalizörlerde meydana geldi, ancak nanometre boyutlarında folyolar kısa süreliğine esnek bir duruma ulaştı ve alttaki iletken olmayan alt tabakalarla sıkı bir şekilde bağlanmaya izin verdi.
Evrensel epitaksiyel olmayan sentez (UNS) stratejisi. a – d) 2 boyutlu malzemeler için sentez sürecinin şeması. a) Aşama I: Prefabrik tek kristalli metal folyo, yapışmamış bir metal folyo-yalıtkan alt tabaka oluşturmak üzere yalıtkan bir alt tabaka üzerine yerleştirilir. b) Aşama II: Metal folyonun her iki tarafında 2 boyutlu malzeme adaları büyütülür. c) Aşama III: metal folyo yumuşamaya başlar ve neredeyse erimiş bir duruma ulaşır; 2D malzeme katmanı yalıtkan alt tabaka yüzeyine bastırılır. d) Aşama IV: üst katmandaki 2D malzemeler ve Cu(111) folyo çıkarılır, 2D katman ise yalıtım alt katmanında kalır. (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Ayrıntılı olarak dergide yer almaktadır. Gelişmiş malzemeler (“İzolatörler Üzerinde Pitaksiyel Olmayan Gofret Ölçekli Tek Kristal 2D Malzemeler”), grubun yaklaşımı, yüksek saflıkta bakır folyo ile hedef yalıtkan arasında, oksitlenmiş yüzey kaplamalı safir veya standart silikon levhalar gibi bir boşluğa sahip, özel olarak tasarlanmış "yapışmaz" çift taraflı bir alt tabakaya odaklandı. Gazlar iki yüzey arasındaki boşluklara akarak hBN veya grafenin, bir fırının içinde 1000 santigrat derecenin üzerindeki tipik CVD yoluyla folyonun hem üstünde hem de altında aynı anda kristalleşmesini sağladı. Biriktirme bittikten hemen sonra araştırmacılar, sıcaklıkları bir dakikadan kısa bir süre için hızla fazladan 50 derece artırdılar. Bu kısa artış, bakır folyoyu neredeyse erimiş bir duruma getirerek atomlar arası bağları yumuşattı ve alt taraftaki kristalize 2D filmin yalıtım yüzeyiyle yakından buluşmasını sağladı. Numune atmosfer altında soğudukça bakır atomlarının çökelmesi tüm yarıkları doldurdu ve grafen veya hBN'yi kırışıklık veya yırtılma olmadan düz bir şekilde yapıştırdı.
Biriktirme bittikten hemen sonra araştırmacılar, sıcaklıkları bir dakikadan kısa bir süre için hızla fazladan 50 derece artırdılar. Kısa sivri uç bakırdaki atomlar arası bağları kısmen eriterek alt taraftaki kristalize 2D filmi yalıtkan alt tabaka ile aynı hizada temas edecek şekilde yayladı. Numune atmosfer altında soğudukça bakır atomlarının çökelmesi tüm yarıkları doldurdu ve grafen veya hBN'yi kırışıklık veya yırtılma olmadan düz bir şekilde yapıştırdı. Asidik bir bakır aşındırıcı, kurban katalizör katmanını yıkayarak üstteki 2D tabakayı elektronik uygulamalar için uygun bir yalıtkan üzerine sıkı bir şekilde kilitledi.
Temel atılım, "yapışmayan" çift taraflı bir alt tabakanın tasarlanmasından kaynaklanmaktadır. Araştırmacılar ilk olarak ultra saf tek kristal bakır folyo ürettiler. 2D büyüme için bu katalizör, hedef yalıtım yüzeyinin üzerine nazikçe yerleştirildi ve iki katman arasında bir boşluk oluşturuldu. Boşluk, öncü gazların folyonun her iki tarafına da kolayca erişmesine olanak tanıdı ve aynı anda üstte ve altta altıgen olarak hizalanmış atomlardan oluşan tabakalar büyüdü.
Sıcaklıkların, basınçların ve gaz bileşimlerinin dikkatlice kontrol edilmesinin kristal mükemmelliği için gerekli olduğu kanıtlandı. Havanın dışarıda tutulması oksidasyonu önlerken, hidrojen ve argon gazlarının sürekli akışı tüm bakır yüzeyi boyunca düzgün hBN veya grafen çekirdeklenmesini besledi.
Büyümenin hemen ardından kasıtlı olarak bir dakikadan kısa bir süre boyunca neredeyse erimeye neden olmak, gizli sos yapışma numarası olarak hizmet etti. Bilim adamları daha önce metal folyoların erime noktaları civarında aşırı derecede şekillendirilebilirliğini fark etmişlerdi. Bu geçici yapışkan durumun özel bir ortamda kullanılması, sıcak bakırın ve bağlı 2D filmlerin soğuma sırasında ayrılmadan önce kısa süreliğine ancak etkili bir şekilde bitişik yalıtkanlarla kaynaşmasını sağlar.
Safir, kuvars, standart silika/silikon test levhaları ve hatta yalıtkan bor nitrür kristalleri üzerinde kullanılan "evrensel epitaksiyel olmayan sentez" (UNS) yaklaşımı, elektron hareketliliğini ve düşük kusur yoğunluğunu sergileyen, inçlere kadar güvenilir bir şekilde 2 boyutlu malzeme katmanları oluşturdu ve ticari cihazlar için gerekli olan tek kristalli düzen. Altıgen kafesler, tane sınırları olmaksızın hizalanmış yönlerde tüm yüzeyi eşit şekilde kapladı. Keskin spektroskopik imzalar, filmlerin kalitesini ve yalnızca 0.3-3 atomluk bir yığına eşdeğer olan 4 nanometreye kadar aşırı inceliğini doğruladı.
Kavramsal olarak basit olsa da, neredeyse erimiş metallerin yüzey yapışkanlığından anlık olarak yararlanmak, büyük ölçüde olanaklı olduğunu kanıtlıyor. Daha fazla gelişmeyle birlikte üreticiler artık 2 boyutlu malzemeleri standart ekipman kullanarak doğrudan yarı iletken üretim hatlarına dahil etmek için oldukça basit bir yola sahipler. UNS tekniği, grafen ve bor nitrür filmlerin çok ötesinde genelleştirilebilir. 2 Yalıtım platformlarına taşınacak levhalar. Kanıtlanmış ayarlanabilir bir yaklaşımla üreticiler artık saf 2D malzemeleri doğrudan yarı iletken üretim iş akışlarına entegre edebilirler. Bu atılım özellikle yeni nesil grafen elektroniğinin uzun süredir teorik olarak ele alınmasına olanak tanıyor ancak artık iletken olmayan levhalarda elde edilen büyük ölçekli kristal büyümesi olmadan bu mümkün değil. Esnek ekranlar ve aydınlatmanın ötesinde, en büyük gelişme muhtemelen silikon transistörler atomik sınırlara ulaştığında Moore Yasasını sürdürmek için çabalayan bilgi işlem teknolojilerinde gerçekleşecek. Entegre 2 boyutlu malzeme devrelerine doğru ilerlemek, hız ve yetenek açısından sürekli üstel sıçramalar vaat ediyor. Grafen büyümesi metallerden ayrıştırıldığında, tam kapsülleme de ulaşılabilir hale geliyor. İletken grafen kafesin etrafına bor nitrür gibi tek atom kalınlığında yalıtkanların katmanlanması, kuantum etkileşimlerini bozulmaya karşı koruyabilir ve süperiletkenlik gibi egzotik fiziğin oda sıcaklığına kadar devam etmesini sağlayabilir. Bu tür hassas istifleme, hataya açık transfer teknikleri yerine yalnızca baz alt katmanlar üzerine doğrudan CVD tarzı biriktirme yoluyla mümkün olan atomik olarak pürüzsüz bir yüzey gerektirir. Araştırmacılar, inatçı malzeme darboğazını ortadan kaldırarak, silikon üretiminin dışsal gücünü, karmaşıklık açısından en gelişmiş nano ölçekli makinelerimize rakip olacak iki boyutlu malzemelerin içsel kapasitesiyle harmanlayan teknolojilere giden yolu aydınlattı. Muazzam hıza, anlık enerji iştahına ve dayanıklı uzun ömürlülüğe sahip esnek cihazlar artık çoğunlukla hayal gücüyle sınırlı görünüyor.
Evrensel epitaksiyel olmayan sentez (UNS) stratejisi. a – d) 2 boyutlu malzemeler için sentez sürecinin şeması. a) Aşama I: Prefabrik tek kristalli metal folyo, yapışmamış bir metal folyo-yalıtkan alt tabaka oluşturmak üzere yalıtkan bir alt tabaka üzerine yerleştirilir. b) Aşama II: Metal folyonun her iki tarafında 2 boyutlu malzeme adaları büyütülür. c) Aşama III: metal folyo yumuşamaya başlar ve neredeyse erimiş bir duruma ulaşır; 2D malzeme katmanı yalıtkan alt tabaka yüzeyine bastırılır. d) Aşama IV: üst katmandaki 2D malzemeler ve Cu(111) folyo çıkarılır, 2D katman ise yalıtım alt katmanında kalır. (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) Ayrıntılı olarak dergide yer almaktadır. Gelişmiş malzemeler (“İzolatörler Üzerinde Pitaksiyel Olmayan Gofret Ölçekli Tek Kristal 2D Malzemeler”), grubun yaklaşımı, yüksek saflıkta bakır folyo ile hedef yalıtkan arasında, oksitlenmiş yüzey kaplamalı safir veya standart silikon levhalar gibi bir boşluğa sahip, özel olarak tasarlanmış "yapışmaz" çift taraflı bir alt tabakaya odaklandı. Gazlar iki yüzey arasındaki boşluklara akarak hBN veya grafenin, bir fırının içinde 1000 santigrat derecenin üzerindeki tipik CVD yoluyla folyonun hem üstünde hem de altında aynı anda kristalleşmesini sağladı. Biriktirme bittikten hemen sonra araştırmacılar, sıcaklıkları bir dakikadan kısa bir süre için hızla fazladan 50 derece artırdılar. Bu kısa artış, bakır folyoyu neredeyse erimiş bir duruma getirerek atomlar arası bağları yumuşattı ve alt taraftaki kristalize 2D filmin yalıtım yüzeyiyle yakından buluşmasını sağladı. Numune atmosfer altında soğudukça bakır atomlarının çökelmesi tüm yarıkları doldurdu ve grafen veya hBN'yi kırışıklık veya yırtılma olmadan düz bir şekilde yapıştırdı.
Biriktirme bittikten hemen sonra araştırmacılar, sıcaklıkları bir dakikadan kısa bir süre için hızla fazladan 50 derece artırdılar. Kısa sivri uç bakırdaki atomlar arası bağları kısmen eriterek alt taraftaki kristalize 2D filmi yalıtkan alt tabaka ile aynı hizada temas edecek şekilde yayladı. Numune atmosfer altında soğudukça bakır atomlarının çökelmesi tüm yarıkları doldurdu ve grafen veya hBN'yi kırışıklık veya yırtılma olmadan düz bir şekilde yapıştırdı. Asidik bir bakır aşındırıcı, kurban katalizör katmanını yıkayarak üstteki 2D tabakayı elektronik uygulamalar için uygun bir yalıtkan üzerine sıkı bir şekilde kilitledi.
Temel atılım, "yapışmayan" çift taraflı bir alt tabakanın tasarlanmasından kaynaklanmaktadır. Araştırmacılar ilk olarak ultra saf tek kristal bakır folyo ürettiler. 2D büyüme için bu katalizör, hedef yalıtım yüzeyinin üzerine nazikçe yerleştirildi ve iki katman arasında bir boşluk oluşturuldu. Boşluk, öncü gazların folyonun her iki tarafına da kolayca erişmesine olanak tanıdı ve aynı anda üstte ve altta altıgen olarak hizalanmış atomlardan oluşan tabakalar büyüdü.
Sıcaklıkların, basınçların ve gaz bileşimlerinin dikkatlice kontrol edilmesinin kristal mükemmelliği için gerekli olduğu kanıtlandı. Havanın dışarıda tutulması oksidasyonu önlerken, hidrojen ve argon gazlarının sürekli akışı tüm bakır yüzeyi boyunca düzgün hBN veya grafen çekirdeklenmesini besledi.
Büyümenin hemen ardından kasıtlı olarak bir dakikadan kısa bir süre boyunca neredeyse erimeye neden olmak, gizli sos yapışma numarası olarak hizmet etti. Bilim adamları daha önce metal folyoların erime noktaları civarında aşırı derecede şekillendirilebilirliğini fark etmişlerdi. Bu geçici yapışkan durumun özel bir ortamda kullanılması, sıcak bakırın ve bağlı 2D filmlerin soğuma sırasında ayrılmadan önce kısa süreliğine ancak etkili bir şekilde bitişik yalıtkanlarla kaynaşmasını sağlar.
Safir, kuvars, standart silika/silikon test levhaları ve hatta yalıtkan bor nitrür kristalleri üzerinde kullanılan "evrensel epitaksiyel olmayan sentez" (UNS) yaklaşımı, elektron hareketliliğini ve düşük kusur yoğunluğunu sergileyen, inçlere kadar güvenilir bir şekilde 2 boyutlu malzeme katmanları oluşturdu ve ticari cihazlar için gerekli olan tek kristalli düzen. Altıgen kafesler, tane sınırları olmaksızın hizalanmış yönlerde tüm yüzeyi eşit şekilde kapladı. Keskin spektroskopik imzalar, filmlerin kalitesini ve yalnızca 0.3-3 atomluk bir yığına eşdeğer olan 4 nanometreye kadar aşırı inceliğini doğruladı.
Kavramsal olarak basit olsa da, neredeyse erimiş metallerin yüzey yapışkanlığından anlık olarak yararlanmak, büyük ölçüde olanaklı olduğunu kanıtlıyor. Daha fazla gelişmeyle birlikte üreticiler artık 2 boyutlu malzemeleri standart ekipman kullanarak doğrudan yarı iletken üretim hatlarına dahil etmek için oldukça basit bir yola sahipler. UNS tekniği, grafen ve bor nitrür filmlerin çok ötesinde genelleştirilebilir. 2 Yalıtım platformlarına taşınacak levhalar. Kanıtlanmış ayarlanabilir bir yaklaşımla üreticiler artık saf 2D malzemeleri doğrudan yarı iletken üretim iş akışlarına entegre edebilirler. Bu atılım özellikle yeni nesil grafen elektroniğinin uzun süredir teorik olarak ele alınmasına olanak tanıyor ancak artık iletken olmayan levhalarda elde edilen büyük ölçekli kristal büyümesi olmadan bu mümkün değil. Esnek ekranlar ve aydınlatmanın ötesinde, en büyük gelişme muhtemelen silikon transistörler atomik sınırlara ulaştığında Moore Yasasını sürdürmek için çabalayan bilgi işlem teknolojilerinde gerçekleşecek. Entegre 2 boyutlu malzeme devrelerine doğru ilerlemek, hız ve yetenek açısından sürekli üstel sıçramalar vaat ediyor. Grafen büyümesi metallerden ayrıştırıldığında, tam kapsülleme de ulaşılabilir hale geliyor. İletken grafen kafesin etrafına bor nitrür gibi tek atom kalınlığında yalıtkanların katmanlanması, kuantum etkileşimlerini bozulmaya karşı koruyabilir ve süperiletkenlik gibi egzotik fiziğin oda sıcaklığına kadar devam etmesini sağlayabilir. Bu tür hassas istifleme, hataya açık transfer teknikleri yerine yalnızca baz alt katmanlar üzerine doğrudan CVD tarzı biriktirme yoluyla mümkün olan atomik olarak pürüzsüz bir yüzey gerektirir. Araştırmacılar, inatçı malzeme darboğazını ortadan kaldırarak, silikon üretiminin dışsal gücünü, karmaşıklık açısından en gelişmiş nano ölçekli makinelerimize rakip olacak iki boyutlu malzemelerin içsel kapasitesiyle harmanlayan teknolojilere giden yolu aydınlattı. Muazzam hıza, anlık enerji iştahına ve dayanıklı uzun ömürlülüğe sahip esnek cihazlar artık çoğunlukla hayal gücüyle sınırlı görünüyor.
– Michael, Royal Society of Chemistry tarafından yazılan üç kitabın yazarıdır:
Nano-Toplum: Teknolojinin Sınırlarını Zorlamak,
Nanoteknoloji: Gelecek Küçük, ve
Nano-mühendislik: Teknolojiyi Görünmez Yapan Beceri ve Araçlar
Telif Hakkı ©
Nanowerk LLC
Spotlight konuk yazarı olun! Geniş ve büyüyen grubumuza katılın konuk katkıda bulunanlar. Nanoteknoloji topluluğuyla paylaşmak için bilimsel bir makale yayınladınız mı veya başka heyecan verici gelişmeleriniz mi var? Nanowerk.com'da nasıl yayınlayacağınız burada.
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
- PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
- PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
- PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64590.php
