Ngày 06 tháng 2024 năm XNUMX (Tiêu điểm Nanowerk) Graphene khiến các nhà khoa học và nhà đầu tư choáng váng với sức mạnh và tốc độ to lớn của nó kể từ thời điểm nó được phân lập lần đầu tiên vào năm 2004. Được tạo thành từ một lớp nguyên tử carbon trong mạng lục giác, vật liệu kỳ diệu hai chiều này cho thấy tiềm năng cách mạng hóa mọi thứ, từ màn hình linh hoạt đến tấm pin mặt trời đến tính toán lượng tử. Những người đam mê dự đoán vật liệu tổng hợp graphene siêu bền nhẹ hơn thép, đường dây điện không tổn hao với điện trở bằng 100 và chất siêu dẫn ở nhiệt độ phòng hiệu quả hơn XNUMX lần so với silicon. Việc đánh bắt duy nhất? Graphene không phát triển tự nhiên trên các chất nền cách điện cần thiết để đưa nó vào các thiết bị điện tử. Thay vào đó, nó dễ dàng kết tinh trên các kim loại không tương thích với công nghệ sản xuất vi mạch hiện đại. Trong lịch sử, mạng carbon siêu mỏng của graphene và các tinh thể hBN phân lớp chỉ có thể được tạo ra một cách đáng tin cậy trên các kim loại như đồng thông qua quá trình lắng đọng hơi hóa học (CVD). Mặc dù hữu ích cho nghiên cứu cơ bản nhưng chất nền kim loại lại gây trở ngại cho các ứng dụng thực tế. Để tích hợp graphene vào thiết bị điện tử silicon hiện đại, các nhà khoa học đã chuyển giao phim chất liệu 2D lên các bề mặt không dẫn điện như nhựa hoặc oxit silic thông qua các quy trình hóa học “ướt” nhiều bước. Tuy nhiên, dư lượng polymer thường làm nhiễm bẩn màng và liên kết tỏ ra yếu dưới sức căng, để lại các vết nứt và khuyết tật có hại cho hiệu suất. Trong gần 20 năm, các nhà nghiên cứu đã theo đuổi các phương pháp tốt hơn để chuyển các vật liệu 2D đầy hứa hẹn như graphene và boron nitrit lục giác phân lớp sang nền không dẫn điện mà không làm giảm hiệu suất. Những nỗ lực trước đây nhằm đặt thẳng các lớp 2D lên chất cách điện phần lớn đã thất bại do sự khác biệt về cấu trúc nguyên tử. Cả Graphene và hBN đều kết tinh tốt nhất trên các bề mặt kim loại cứng có sự đối xứng hình lục giác phù hợp. Các chất cách điện vô định hình như thủy tinh không cung cấp khuôn mẫu hướng dẫn sự phát triển 2D có trật tự. Các kỹ thuật trước đây sử dụng tia laser xung hoặc nhiệt độ cao để tạo ra các phản ứng tạo ra các mảng vật liệu 2D có khuyết điểm, không phù hợp cho sản xuất hàng loạt. Với các bóng bán dẫn Ở quy mô nanomet đơn lẻ, những điểm không hoàn hảo chỉ bao gồm hàng chục nguyên tử có thể làm chập mạch một thiết bị. Hiện đang mang lại lợi ích tiềm năng cho ngành công nghiệp, các nhà nghiên cứu báo cáo đã phát hiện ra một phương tiện có thể mở rộng để tạo ra các lớp graphene và hBN ở quy mô wafer, đơn tinh thể trên các nền tảng cách điện đa dạng. Thay vì thúc đẩy mạnh mẽ quá trình lắng đọng, các tác giả chính Junzhu Li và Xixiang Zhang đã khéo léo khai thác quá trình làm mềm các lá kim loại mỏng gần điểm nóng chảy của chúng. Sự tăng trưởng vẫn xảy ra trên các chất xúc tác đồng truyền thống, nhưng ở kích thước nanomet, các lá kim loại này nhanh chóng đạt đến trạng thái mềm dẻo cho phép liên kết chặt chẽ với các chất nền không dẫn điện bên dưới.
Chiến lược tổng hợp không trục phổ quát (UNS). a– d) Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu 2D. a) Giai đoạn I: lá kim loại đơn tinh thể đúc sẵn được đặt trên nền cách điện để tạo thành nền cách điện lá kim loại không bám dính. b) Giai đoạn II: Các đảo vật liệu 2D được trồng trên cả hai mặt của lá kim loại. c) Giai đoạn III: lá kim loại bắt đầu mềm đi, gần nóng chảy; lớp vật liệu 2D được ép lên bề mặt nền cách điện. d) Giai đoạn IV: loại bỏ lớp vật liệu 2D và lá Cu(111) phía trên, chỉ còn lại lớp 2D trên nền cách điện. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Chi tiết trong tạp chí Vật liệu tiên tiến (“Vật liệu 2D tinh thể đơn quy mô wafer không có trục trên chất cách điện”), cách tiếp cận của nhóm tập trung vào chất nền hai mặt “không dính” được thiết kế riêng với khoảng cách giữa lá đồng có độ tinh khiết cao và chất cách điện mục tiêu, như tấm sapphire hoặc tấm silicon tiêu chuẩn có lớp phủ bề mặt bị oxy hóa. Khí chảy vào khoảng trống giữa hai bề mặt, cho phép hBN hoặc graphene kết tinh đồng thời trên cả mặt trên và mặt dưới của lá thông qua CVD điển hình ở nhiệt độ trên 1000 độ C bên trong lò nung. Ngay sau khi quá trình lắng đọng kết thúc, các nhà nghiên cứu đã nhanh chóng tăng nhiệt độ lên thêm 50 độ trong vòng chưa đầy một phút. Sự tăng vọt ngắn ngủi này đã đưa lá đồng đến trạng thái gần như nóng chảy, làm mềm các liên kết tương tác giữa các nguyên tử và cho phép màng 2D kết tinh ở mặt dưới tiếp xúc chặt chẽ với bề mặt cách điện. Sự lắng đọng của các nguyên tử đồng sau đó sẽ lấp đầy mọi kẽ hở khi mẫu được làm lạnh trong khí quyển, làm phẳng graphene hoặc hBN mà không có nếp nhăn hoặc vết rách.
Ngay sau khi quá trình lắng đọng kết thúc, các nhà nghiên cứu đã nhanh chóng tăng nhiệt độ lên thêm 50 độ trong vòng chưa đầy một phút. Mũi nhọn ngắn làm tan chảy một phần các liên kết tương tác trong đồng, làm cho màng 2D kết tinh ở mặt dưới tiếp xúc trực tiếp với chất nền cách điện. Sự lắng đọng của các nguyên tử đồng lấp đầy mọi kẽ hở khi mẫu được làm lạnh trong khí quyển, làm phẳng graphene hoặc hBN mà không có nếp nhăn hoặc vết rách. Chất ăn mòn bằng đồng có tính axit đã rửa trôi lớp xúc tác hy sinh, giờ đây khóa chắc chắn tấm 2D phía trên vào một chất cách điện phù hợp cho các ứng dụng điện tử.
Bước đột phá quan trọng bắt nguồn từ việc thiết kế chất nền hai mặt “không dính”. Lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã chế tạo được một lá đồng đơn tinh thể siêu tinh khiết. Chất xúc tác cho sự tăng trưởng 2D này được đặt nhẹ nhàng lên trên bề mặt cách điện mục tiêu, tạo ra khoảng trống giữa hai lớp. Khoảng không gian này cho phép các khí tiền chất dễ dàng tiếp cận cả hai mặt của lá kim loại, tạo ra các tấm nguyên tử xếp theo hình lục giác đồng thời ở trên và dưới.
Kiểm soát cẩn thận nhiệt độ, áp suất và thành phần khí tỏ ra cần thiết cho sự hoàn hảo của tinh thể. Việc giữ không khí ở bên ngoài đã ngăn chặn quá trình oxy hóa trong khi dòng khí hydro và argon liên tục cung cấp nhiên liệu cho quá trình tạo mầm hBN hoặc graphene mịn trên toàn bộ bề mặt đồng.
Cố ý tạo ra sự gần như tan chảy trong vòng chưa đầy một phút ngay sau khi tăng trưởng được coi là thủ thuật bám dính nước sốt bí mật. Các nhà khoa học trước đây đã nhận thấy tính dẻo cực cao của các lá kim loại xung quanh điểm nóng chảy của chúng. Khai thác trạng thái dính thoáng qua này trong một môi trường phù hợp để đồng nóng và các màng 2D đính kèm kết hợp nhanh chóng nhưng hiệu quả với các chất cách điện liền kề trước khi tách ra trong quá trình nguội.
Được sử dụng trên các tấm wafer thử nghiệm silic trên silic tiêu chuẩn và thậm chí cả các tinh thể boron nitrit cách điện, phương pháp “tổng hợp không epiticular phổ quát” (UNS) tạo ra các lớp vật liệu 2D một cách đáng tin cậy có kích thước lên đến vài inch hiển thị độ linh động của điện tử, mật độ khuyết tật thấp và trật tự đơn tinh thể cần thiết cho các thiết bị thương mại. Các mạng lục giác bao phủ đồng đều toàn bộ bề mặt theo các hướng thẳng hàng không có ranh giới hạt. Chữ ký quang phổ sắc nét đã xác nhận chất lượng và độ mỏng cực cao của màng xuống tới 0.3 nanomet, tương đương với một chồng chỉ 3-4 nguyên tử.
Mặc dù về mặt khái niệm đơn giản nhưng việc khai thác tạm thời độ bám dính bề mặt của kim loại gần nóng chảy chứng tỏ khả năng thực hiện rộng rãi. Với sự phát triển hơn nữa, các nhà sản xuất hiện có một lộ trình khá đơn giản để kết hợp vật liệu 2D trực tiếp vào dây chuyền sản xuất chất bán dẫn bằng thiết bị tiêu chuẩn. Kỹ thuật UNS có thể khái quát hóa vượt xa màng graphene và boron nitride. 2 tấm để di chuyển lên nền tảng cách nhiệt. Với cách tiếp cận có thể điều chỉnh đã được chứng minh, các nhà sản xuất giờ đây có thể tích hợp trực tiếp các vật liệu 2D nguyên sơ vào quy trình sản xuất chất bán dẫn. Bước đột phá này đặc biệt cho phép các thiết bị điện tử graphene thế hệ tiếp theo đã được lý thuyết hóa từ lâu nhưng không khả thi nếu không có sự tăng trưởng tinh thể quy mô lớn hiện đạt được trên các tấm bán dẫn không dẫn điện. Ngoài màn hình và ánh sáng linh hoạt, nâng cấp lớn nhất có thể là công nghệ điện toán đang cố gắng duy trì Định luật Moore khi các bóng bán dẫn silicon đạt đến giới hạn nguyên tử. Hướng tới các mạch vật liệu 2D tích hợp hứa hẹn sẽ tiếp tục có những bước nhảy vọt theo cấp số nhân về tốc độ và khả năng. Với sự phát triển của graphene được tách khỏi kim loại, việc đóng gói hoàn toàn cũng nằm trong tầm tay. Việc xếp lớp các chất cách điện dày một nguyên tử như boron nitride xung quanh mạng graphene dẫn điện có thể bảo vệ các tương tác lượng tử khỏi bị gián đoạn, cho phép vật lý kỳ lạ như tính siêu dẫn tồn tại ở nhiệt độ phòng. Việc xếp chồng chính xác như vậy đòi hỏi một bề mặt nhẵn nguyên tử chỉ có thể thực hiện được thông qua việc lắng đọng kiểu CVD trực tiếp lên các chất nền thay vì các kỹ thuật chuyển dễ bị lỗi. Bằng cách loại bỏ nút thắt cứng đầu về vật liệu, các nhà nghiên cứu đã mở ra con đường hướng tới các công nghệ kết hợp sức mạnh bên ngoài của việc sản xuất silicon với khả năng bên trong của vật liệu hai chiều cạnh tranh với các máy móc nano tiên tiến nhất của chúng ta về độ phức tạp. Các thiết bị linh hoạt với tốc độ cực lớn, tiêu thụ năng lượng từng phút và tuổi thọ bền bỉ giờ đây dường như bị giới hạn chủ yếu bởi trí tưởng tượng.
Chiến lược tổng hợp không trục phổ quát (UNS). a– d) Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu 2D. a) Giai đoạn I: lá kim loại đơn tinh thể đúc sẵn được đặt trên nền cách điện để tạo thành nền cách điện lá kim loại không bám dính. b) Giai đoạn II: Các đảo vật liệu 2D được trồng trên cả hai mặt của lá kim loại. c) Giai đoạn III: lá kim loại bắt đầu mềm đi, gần nóng chảy; lớp vật liệu 2D được ép lên bề mặt nền cách điện. d) Giai đoạn IV: loại bỏ lớp vật liệu 2D và lá Cu(111) phía trên, chỉ còn lại lớp 2D trên nền cách điện. (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Chi tiết trong tạp chí Vật liệu tiên tiến (“Vật liệu 2D tinh thể đơn quy mô wafer không có trục trên chất cách điện”), cách tiếp cận của nhóm tập trung vào chất nền hai mặt “không dính” được thiết kế riêng với khoảng cách giữa lá đồng có độ tinh khiết cao và chất cách điện mục tiêu, như tấm sapphire hoặc tấm silicon tiêu chuẩn có lớp phủ bề mặt bị oxy hóa. Khí chảy vào khoảng trống giữa hai bề mặt, cho phép hBN hoặc graphene kết tinh đồng thời trên cả mặt trên và mặt dưới của lá thông qua CVD điển hình ở nhiệt độ trên 1000 độ C bên trong lò nung. Ngay sau khi quá trình lắng đọng kết thúc, các nhà nghiên cứu đã nhanh chóng tăng nhiệt độ lên thêm 50 độ trong vòng chưa đầy một phút. Sự tăng vọt ngắn ngủi này đã đưa lá đồng đến trạng thái gần như nóng chảy, làm mềm các liên kết tương tác giữa các nguyên tử và cho phép màng 2D kết tinh ở mặt dưới tiếp xúc chặt chẽ với bề mặt cách điện. Sự lắng đọng của các nguyên tử đồng sau đó sẽ lấp đầy mọi kẽ hở khi mẫu được làm lạnh trong khí quyển, làm phẳng graphene hoặc hBN mà không có nếp nhăn hoặc vết rách.
Ngay sau khi quá trình lắng đọng kết thúc, các nhà nghiên cứu đã nhanh chóng tăng nhiệt độ lên thêm 50 độ trong vòng chưa đầy một phút. Mũi nhọn ngắn làm tan chảy một phần các liên kết tương tác trong đồng, làm cho màng 2D kết tinh ở mặt dưới tiếp xúc trực tiếp với chất nền cách điện. Sự lắng đọng của các nguyên tử đồng lấp đầy mọi kẽ hở khi mẫu được làm lạnh trong khí quyển, làm phẳng graphene hoặc hBN mà không có nếp nhăn hoặc vết rách. Chất ăn mòn bằng đồng có tính axit đã rửa trôi lớp xúc tác hy sinh, giờ đây khóa chắc chắn tấm 2D phía trên vào một chất cách điện phù hợp cho các ứng dụng điện tử.
Bước đột phá quan trọng bắt nguồn từ việc thiết kế chất nền hai mặt “không dính”. Lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã chế tạo được một lá đồng đơn tinh thể siêu tinh khiết. Chất xúc tác cho sự tăng trưởng 2D này được đặt nhẹ nhàng lên trên bề mặt cách điện mục tiêu, tạo ra khoảng trống giữa hai lớp. Khoảng không gian này cho phép các khí tiền chất dễ dàng tiếp cận cả hai mặt của lá kim loại, tạo ra các tấm nguyên tử xếp theo hình lục giác đồng thời ở trên và dưới.
Kiểm soát cẩn thận nhiệt độ, áp suất và thành phần khí tỏ ra cần thiết cho sự hoàn hảo của tinh thể. Việc giữ không khí ở bên ngoài đã ngăn chặn quá trình oxy hóa trong khi dòng khí hydro và argon liên tục cung cấp nhiên liệu cho quá trình tạo mầm hBN hoặc graphene mịn trên toàn bộ bề mặt đồng.
Cố ý tạo ra sự gần như tan chảy trong vòng chưa đầy một phút ngay sau khi tăng trưởng được coi là thủ thuật bám dính nước sốt bí mật. Các nhà khoa học trước đây đã nhận thấy tính dẻo cực cao của các lá kim loại xung quanh điểm nóng chảy của chúng. Khai thác trạng thái dính thoáng qua này trong một môi trường phù hợp để đồng nóng và các màng 2D đính kèm kết hợp nhanh chóng nhưng hiệu quả với các chất cách điện liền kề trước khi tách ra trong quá trình nguội.
Được sử dụng trên các tấm wafer thử nghiệm silic trên silic tiêu chuẩn và thậm chí cả các tinh thể boron nitrit cách điện, phương pháp “tổng hợp không epiticular phổ quát” (UNS) tạo ra các lớp vật liệu 2D một cách đáng tin cậy có kích thước lên đến vài inch hiển thị độ linh động của điện tử, mật độ khuyết tật thấp và trật tự đơn tinh thể cần thiết cho các thiết bị thương mại. Các mạng lục giác bao phủ đồng đều toàn bộ bề mặt theo các hướng thẳng hàng không có ranh giới hạt. Chữ ký quang phổ sắc nét đã xác nhận chất lượng và độ mỏng cực cao của màng xuống tới 0.3 nanomet, tương đương với một chồng chỉ 3-4 nguyên tử.
Mặc dù về mặt khái niệm đơn giản nhưng việc khai thác tạm thời độ bám dính bề mặt của kim loại gần nóng chảy chứng tỏ khả năng thực hiện rộng rãi. Với sự phát triển hơn nữa, các nhà sản xuất hiện có một lộ trình khá đơn giản để kết hợp vật liệu 2D trực tiếp vào dây chuyền sản xuất chất bán dẫn bằng thiết bị tiêu chuẩn. Kỹ thuật UNS có thể khái quát hóa vượt xa màng graphene và boron nitride. 2 tấm để di chuyển lên nền tảng cách nhiệt. Với cách tiếp cận có thể điều chỉnh đã được chứng minh, các nhà sản xuất giờ đây có thể tích hợp trực tiếp các vật liệu 2D nguyên sơ vào quy trình sản xuất chất bán dẫn. Bước đột phá này đặc biệt cho phép các thiết bị điện tử graphene thế hệ tiếp theo đã được lý thuyết hóa từ lâu nhưng không khả thi nếu không có sự tăng trưởng tinh thể quy mô lớn hiện đạt được trên các tấm bán dẫn không dẫn điện. Ngoài màn hình và ánh sáng linh hoạt, nâng cấp lớn nhất có thể là công nghệ điện toán đang cố gắng duy trì Định luật Moore khi các bóng bán dẫn silicon đạt đến giới hạn nguyên tử. Hướng tới các mạch vật liệu 2D tích hợp hứa hẹn sẽ tiếp tục có những bước nhảy vọt theo cấp số nhân về tốc độ và khả năng. Với sự phát triển của graphene được tách khỏi kim loại, việc đóng gói hoàn toàn cũng nằm trong tầm tay. Việc xếp lớp các chất cách điện dày một nguyên tử như boron nitride xung quanh mạng graphene dẫn điện có thể bảo vệ các tương tác lượng tử khỏi bị gián đoạn, cho phép vật lý kỳ lạ như tính siêu dẫn tồn tại ở nhiệt độ phòng. Việc xếp chồng chính xác như vậy đòi hỏi một bề mặt nhẵn nguyên tử chỉ có thể thực hiện được thông qua việc lắng đọng kiểu CVD trực tiếp lên các chất nền thay vì các kỹ thuật chuyển dễ bị lỗi. Bằng cách loại bỏ nút thắt cứng đầu về vật liệu, các nhà nghiên cứu đã mở ra con đường hướng tới các công nghệ kết hợp sức mạnh bên ngoài của việc sản xuất silicon với khả năng bên trong của vật liệu hai chiều cạnh tranh với các máy móc nano tiên tiến nhất của chúng ta về độ phức tạp. Các thiết bị linh hoạt với tốc độ cực lớn, tiêu thụ năng lượng từng phút và tuổi thọ bền bỉ giờ đây dường như bị giới hạn chủ yếu bởi trí tưởng tượng.
– Michael là tác giả của ba cuốn sách của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia:
Xã hội Nano: Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ,
Công nghệ nano: Tương lai nhỏ bévà
Nanoengineering: Các kỹ năng và công cụ làm cho công nghệ vô hình
Bản quyền ©
Công Ty TNHH Nanowerk
Trở thành tác giả khách mời của Spotlight! Tham gia nhóm lớn và đang phát triển của chúng tôi những người đóng góp cho khách. Bạn vừa xuất bản một bài báo khoa học hoặc có những phát triển thú vị khác để chia sẻ với cộng đồng công nghệ nano? Đây là cách xuất bản trên nanowerk.com.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64590.php
