A representação deste artista mostra uma nova plataforma de integração desenvolvida por pesquisadores do MIT. Ao projetar forças superficiais, eles podem integrar diretamente materiais 2D em dispositivos em uma única etapa de contato e liberação. Crédito: Cortesia de Sampson Wilcox/Research Laboratory of Electronics
COMO avanço da empresa na integração de materiais 2D em dispositivos abre caminho para dispositivos de próxima geração com propriedades ópticas e eletrônicas exclusivas.
Materiais bidimensionais, com apenas alguns átomos de espessura, podem exibir algumas propriedades incríveis, como a capacidade de transportar carga elétrica de forma extremamente eficiente, o que poderia aumentar o desempenho dos dispositivos eletrônicos da próxima geração.
Mas integrar materiais 2D em dispositivos e sistemas como chips de computador é notoriamente difícil. Estas estruturas ultrafinas podem ser danificadas por técnicas convencionais de fabricação, que muitas vezes dependem do uso de produtos químicos, altas temperaturas ou processos destrutivos como a corrosão.
Uma nova técnica de integração
Para superar este desafio, pesquisadores do MIT e de outros lugares desenvolveram uma nova técnica para integrar materiais 2D em dispositivos em uma única etapa, mantendo as superfícies dos materiais e as interfaces resultantes imaculadas e livres de defeitos.
Seu método depende de forças superficiais de engenharia disponíveis no nanoescala para permitir que o material 2D seja fisicamente empilhado em outras camadas de dispositivos pré-construídos. Como o material 2D permanece intacto, os pesquisadores podem aproveitar ao máximo suas propriedades ópticas e elétricas exclusivas.
A plataforma desenvolvida aproveita conjuntos de ferramentas compatíveis com a indústria, permitindo que o processo seja dimensionado. Aqui, o autor principal Peter Satterthwaite usa uma ferramenta de alinhamento modificada no MIT.nano para fazer uma integração alinhada e padronizada. Crédito: Cortesia de Weikun Zhu
Aprimorando a funcionalidade do dispositivo
Eles usaram essa abordagem para fabricar matrizes de transistores 2D que alcançaram novas funcionalidades em comparação com dispositivos produzidos usando técnicas convencionais de fabricação. Seu método, que é versátil o suficiente para ser usado com muitos materiais, pode ter diversas aplicações em computação de alto desempenho, detecção e eletrônica flexível.
O núcleo para desbloquear essas novas funcionalidades é a capacidade de formar interfaces limpas, mantidas unidas por forças especiais que existem entre toda a matéria, chamadas forças de van der Waals.
No entanto, essa integração van der Waals de materiais em dispositivos totalmente funcionais nem sempre é fácil, diz Farnaz Niroui, professor assistente de engenharia elétrica e ciência da computação (EECS), membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE) e autor sênior de a novo artigo descrevendo o trabalho.
“A integração de Van der Waals tem um limite fundamental”, explica ela. “Como essas forças dependem das propriedades intrínsecas dos materiais, elas não podem ser facilmente ajustadas. Como resultado, existem alguns materiais que não podem ser integrados diretamente uns com os outros usando apenas as interações de van der Waals. Criamos uma plataforma para lidar com esse limite para ajudar a tornar a integração de van der Waals mais versátil, para promover o desenvolvimento de dispositivos baseados em materiais 2D com funcionalidades novas e aprimoradas.”
Niroui escreveu o artigo com o autor principal Peter Satterthwaite, estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação; Jing Kong, professor do EECS e membro do RLE; e outros no MIT, Universidade de Boston, Universidade Nacional Tsing Hua em Taiwan, Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia de Taiwan e Universidade Nacional Cheng Kung em Taiwan. A pesquisa foi publicada recentemente em Eletrônica da Natureza.
As diversas forças superficiais disponíveis em nanoescala permitem aos pesquisadores adaptar a transferência da matriz adesiva a muitos materiais diferentes. Por exemplo, aqui, usando polímeros adesivos, eles são capazes de transferir grafeno padronizado, uma folha de carbono com a espessura de um átomo, de um substrato de origem (imagem superior), para um polímero adesivo receptor (imagem inferior). Crédito: Cortesia do Grupo Niroui
Atração Vantajosa
Criar sistemas complexos, como um chip de computador, com técnicas convencionais de fabricação pode ser complicado. Normalmente, um material rígido como o silício é cinzelado em nanoescala e depois conectado a outros componentes, como eletrodos de metal e camadas isolantes, para formar um dispositivo ativo. Esse processamento pode causar danos aos materiais.
Recentemente, os pesquisadores têm se concentrado na construção de dispositivos e sistemas de baixo para cima, usando materiais 2D e um processo que requer empilhamento físico sequencial. Nesta abordagem, em vez de usar colas químicas ou altas temperaturas para unir um material 2D frágil a uma superfície convencional como o silício, os pesquisadores aproveitam as forças de van der Waals para integrar fisicamente uma camada de material 2D em um dispositivo.
As forças de Van der Waals são forças naturais de atração que existem entre toda a matéria. Por exemplo, os pés de uma lagartixa podem aderir temporariamente à parede devido às forças de van der Waals. Embora todos os materiais exibam uma interação de van der Waals, dependendo do material, as forças nem sempre são fortes o suficiente para mantê-los unidos. Por exemplo, um material semicondutor 2D popular conhecido como dissulfeto de molibdênio adere ao ouro, um metal, mas não se transfere diretamente para isolantes como o dióxido de silício apenas ao entrar em contato físico com essa superfície.
No entanto, heteroestruturas feitas pela integração de camadas semicondutoras e isolantes são os principais blocos de construção de um dispositivo eletrônico. Anteriormente, essa integração era possibilitada pela ligação do material 2D a uma camada intermediária como o ouro e, em seguida, pelo uso dessa camada intermediária para transferir o material 2D para o isolador, antes de remover a camada intermediária usando produtos químicos ou altas temperaturas.
Em vez de usar esta camada sacrificial, os pesquisadores do MIT incorporaram o isolador de baixa adesão em uma matriz de alta adesão. Essa matriz adesiva é o que faz o material 2D aderir à superfície incorporada de baixa adesão, fornecendo as forças necessárias para criar uma interface van der Waals entre o material 2D e o isolador.
Fazendo a Matriz
Para fabricar dispositivos eletrônicos, eles formam uma superfície híbrida de metais e isolantes em um substrato transportador. Esta superfície é então removida e virada para revelar uma superfície superior completamente lisa que contém os blocos de construção do dispositivo desejado.
Esta suavidade é importante, uma vez que as lacunas entre a superfície e o material 2D podem dificultar as interações de van der Waals. Em seguida, os pesquisadores preparam o material 2D separadamente, em um ambiente totalmente limpo, e o colocam em contato direto com a pilha de dispositivos preparada.
“Uma vez que a superfície híbrida entra em contato com a camada 2D, sem a necessidade de altas temperaturas, solventes ou camadas de sacrifício, ela pode pegar a camada 2D e integrá-la à superfície. Dessa forma, estamos permitindo uma integração van der Waals que seria tradicionalmente proibida, mas agora é possível e permite a formação de dispositivos totalmente funcionais em uma única etapa”, explica Satterthwaite.
Esse processo de etapa única mantém a interface do material 2D completamente limpa, o que permite que o material atinja seus limites fundamentais de desempenho sem ser retido por defeitos ou contaminação.
E como as superfícies também permanecem intactas, os pesquisadores podem projetar a superfície do material 2D para formar características ou conexões com outros componentes. Por exemplo, eles usaram essa técnica para criar transistores do tipo p, que geralmente são difíceis de fabricar com materiais 2D. Seus transistores melhoraram em relação a estudos anteriores e podem fornecer uma plataforma para estudar e alcançar o desempenho necessário para a eletrônica prática.
Olhando para o futuro
Sua abordagem pode ser feita em escala para criar conjuntos maiores de dispositivos. A técnica da matriz adesiva também pode ser utilizada com diversos materiais e até com outras forças para aumentar a versatilidade desta plataforma. Por exemplo, os pesquisadores integraram grafeno em um dispositivo, formando as interfaces de van der Waals desejadas usando uma matriz feita com um polímero. Neste caso, a adesão depende de interações químicas e não apenas de forças de van der Waals.
No futuro, os pesquisadores querem aproveitar esta plataforma para permitir a integração de uma biblioteca diversificada de materiais 2D para estudar suas propriedades intrínsecas sem a influência de danos de processamento e desenvolver novas plataformas de dispositivos que aproveitem essas funcionalidades superiores.
Referência: “Integração do dispositivo Van der Waals além dos limites das forças de van der Waals usando transferência de matriz adesiva” por Peter F. Satterthwaite, Weikun Zhu, Patricia Jastrzebska-Perfect, Melbourne Tang, Sarah O. Spector, Hongze Gao, Hikari Kitadai, Ang -Yu Lu, Qishuo Tan, Shin-Yi Tang, Yu-Lun Chueh, Chia-Nung Kuo, Chin Shan Lue, Jing Kong, Xi Ling e Farnaz Niroui, 8 de dezembro de 2023, Eletrônica da Natureza.
DOI: 10.1038/s41928-023-01079-8
Esta pesquisa é financiada, em parte, pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, pelo Departamento de Energia dos EUA, pela Bolsa Interdisciplinar BUnano da Universidade de Boston e pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA. Os procedimentos de fabricação e caracterização foram realizados, em grande parte, nas instalações compartilhadas do MIT.nano.
