Od dziesięcioleci rozwój technologii bazował na upychaniu coraz większej liczby tranzystorów na tej samej powierzchni, ale ta strategia przestaje działać. Inżynierowie desperacko szukają nowych rozwiązań, które pozwolą nam przekroczyć te fizyczne bariery. I właśnie tutaj pojawia się interesująca alternatywa.
Półprzewodniki dwuwymiarowe. Nadzieja przyszłości
Materiały dwuwymiarowe mogą być odpowiedzią na nasze problemy. Półprzewodniki takie jak dwusiarczek molibdenu czy dwuselenek wolframu dają się pociąć na pojedyncze warstwy atomowe, zachowując przy tym zdolność do efektywnego przewodzenia ładunków. Ich kluczową zaletą jest możliwość precyzyjnego dostrojenia do działania jako tranzystory typu n lub p, które są podstawowymi elementami wszystkich obwodów logicznych.
Niestety, dotychczasowe metody wytwarzania takich struktur wymagały ekstremalnych warunków — wysokich temperatur, komór próżniowych lub żmudnego ręcznego pozycjonowania przy użyciu mikromanipulatorów. Próby skalowania tych procesów kończyły się niestabilną jakością urządzeń, słabym wyrównaniem elementów lub niepraktycznie skomplikowanymi procedurami produkcyjnymi.
Rewolucyjna metoda montażu kierowanego polem
Naukowcom udało się opracować zupełnie nowe podejście, które łączy elektrochemiczne złuszczanie półprzewodników 2D z montażem sterowanym polem elektrycznym. Ta technika umożliwia precyzyjne ustawienie nanoarkuszy pomiędzy wcześniej przygotowanymi elektrodami.
Cały proces odbywa się bez użycia litografii, wytrawiania czy wysokich temperatur. Montaż przebiega równolegle, co pozwala na wytworzenie wielu urządzeń na pojedynczym chipie w jednym kroku. To znacząco upraszcza produkcję przy jednoczesnym zachowaniu wszystkich zalet wydajnościowych materiałów dwuwymiarowych.
Precyzyjny proces produkcyjny
Metoda zaczyna się od elektrochemicznego złuszczania, gdzie duże jony organiczne są wprowadzane pomiędzy warstwy kryształu przy użyciu napięcia, osłabiając siły międzywarstwowe. Delikatne ultradźwięki rozdzielają następnie warstwy na nanoarkusze bez uszkadzania ich struktury krystalicznej.
Wytworzone w ten sposób nanoarkusze zachowują wymiary boczne przekraczające jeden mikrometr — znacznie więcej niż te produkowane metodami mechanicznymi. Niejednorodne pole elektryczne wytwarzane przez zwężające się elektrody przyciąga naładowane nanoarkusze do szczelin, precyzyjnie je wyrównuje i tworzy ciągłe kanały pomiędzy stykami.
Optymalne parametry procesu to częstotliwość sygnału przemiennego wynosząca 50 Hz oraz czas aplikacji rzędu 15 sekund. Przy tych ustawieniach udaje się wytworzyć kanały o grubości około 10 nanometrów z doskonałą powtarzalnością i jednorodnością.
Chemiczna korekcja defektów
Nawet najwyższej jakości materiały 2D cierpią na defekty atomowe w postaci wakancji, gdzie brakuje atomów siarki lub selenu. Te niedoskonałości wpływają na jego zdolność do czystego zachowywania się jako typu n lub p.
Jednorazowe zanurzenie gotowych struktur w roztworze superkwasu skutecznie pasywuje te defekty w obu materiałach. Proces ten znacząco poprawia mobilność nośników, redukuje niekontrolowane domieszkowanie i wyrównuje charakterystyki elektryczne tranzystorów.
Obiecujące wyniki testów
Po obróbce chemicznej tranzystory MoS₂ osiągnęły średnią mobilność 4,3 cm² na woltosekundę przy współczynniku prądu włączenia/wyłączenia przekraczającym 50 000. Tranzystory WSe₂ uzyskały mobilność 3,0 cm² na woltosekundę ze współczynnikiem 30 000.
Oba typy działają przy zbliżonych poziomach prądu i napięciach progowych, co jest kluczowym wymogiem dla budowania zrównoważonych komplementarnych obwodów logicznych. W całej tablicy 30 urządzeń odnotowano minimalną zmienność parametrów, co potwierdza wysoką powtarzalność procesu produkcyjnego.
Naukowcom udało się zbudować podstawowe bramki logiczne w tym inwertery, bramki NAND i NOR oraz komórkę statycznej pamięci SRAM. Wszystkie urządzenia funkcjonowały zgodnie z oczekiwaniami, demonstrując wysokie wzmocnienie napięciowe, niezawodne przełączanie i niskie statyczne zużycie energii.
Nowa metoda pozwala uniknąć wzorowania litograficznego i selektywnego domieszkowania — procesów wyjątkowo trudnych do skalowania w systemach materiałów 2D. Zamiast tego wykorzystuje pola elektryczne do precyzyjnego pozycjonowania materiałów z dokładnością do mikrometrów, a pojedyncza obróbka chemiczna optymalizuje końcową wydajność.
Ta kombinacja deterministycznego montażu i domieszkowania po syntezie otwiera drogę do produkcji funkcjonalnych obwodów, które są skalowalne i możliwe do wytworzenia w stosunkowo prostych warunkach. Metoda ta może umożliwić niskokosztową produkcję urządzeń logicznych tam, gdzie tradycyjne techniki krzemowe okazują się zbyt drogie, sztywne lub nadmiernie złożone.
Czy to naprawdę przełom?
Patrząc na te wyniki, trudno nie odnieść wrażenia, że mamy do czynienia z czymś naprawdę ważnym. Nowa metoda wydaje się rozwiązaniem wielu fundamentalnych problemów, które dotąd blokowały komercjalizację elektroniki opartej na materiałach 2D. Jednak jak zawsze w takich przypadkach, prawdziwym testem będzie skalowanie tej technologii do produkcji masowej i utrzymanie jej opłacalności ekonomicznej.