مواد دوبعدی که تنها چند اتم ضخامت دارند می‌توانند خواص شگفت‌انگیزی از خود نشان دهند، مانند توانایی انتقال بار الکتریکی بسیار کارآمد، که می‌تواند عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی نسل بعدی را افزایش دهد.
اما ادغام مواد دو بعدی در دستگاه ها و سیستم هایی مانند تراشه های کامپیوتری بسیار دشوار است. این سازه‌های بسیار نازک می‌توانند توسط تکنیک‌های تولید متعارف که اغلب به استفاده از مواد شیمیایی، دمای بالا یا فرآیندهای مخرب مانند اچ کردن متکی هستند، آسیب ببینند.
برای غلبه بر این چالش، محققان MIT و جاهای دیگر تکنیک جدیدی را برای ادغام مواد دو بعدی در دستگاه‌ها در یک مرحله توسعه داده‌اند و در عین حال سطوح مواد و رابط‌های حاصل را بکر و بدون نقص نگه می‌دارند.
روش آنها متکی بر نیروهای سطح مهندسی شده موجود در مقیاس نانو است تا به مواد دوبعدی اجازه دهد تا به صورت فیزیکی بر روی سایر لایه‌های دستگاه از پیش ساخته شده قرار گیرند. از آنجایی که مواد دو بعدی دست نخورده باقی می‌مانند، محققان می‌توانند از خواص نوری و الکتریکی منحصربه‌فرد آن نهایت استفاده را ببرند.
آنها از این رویکرد برای تولید آرایه‌های ترانزیستوری دو بعدی استفاده کردند که در مقایسه با دستگاه‌هایی که با استفاده از تکنیک‌های ساخت مرسوم تولید می‌شوند، عملکردهای جدیدی را به دست آوردند. روش آنها که به اندازه کافی انعطاف پذیر است تا با بسیاری از مواد مورد استفاده قرار گیرد، می تواند کاربردهای متنوعی در محاسبات با کارایی بالا، حسگرها و الکترونیک انعطاف پذیر داشته باشد.
در قلب بازگشایی این قابلیت‌های جدید، توانایی تشکیل رابط‌های تمیزی است که توسط نیروهای ویژه‌ای که بین همه مواد وجود دارند، به نام نیروهای واندروالس، کنار هم قرار می‌گیرند.
فرناز نیروئی، استادیار مهندسی برق و علوم کامپیوتر (EECS)، عضو آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک (RLE) و نویسنده ارشد یک مقاله جدید می‌گوید: با این حال، ادغام مواد واندروالسی در دستگاه‌های کاملاً کاربردی همیشه آسان نیست. مقاله ای که کار را توصیف می کند
او توضیح می دهد: «ادغام واندروالس یک محدودیت اساسی دارد. “از آنجایی که این نیروها به خواص ذاتی مواد بستگی دارند، نمی توان آنها را به راحتی تنظیم کرد. در نتیجه، برخی از مواد وجود دارند که نمی‌توان آنها را مستقیماً با استفاده از برهمکنش‌های واندروالسی با یکدیگر ادغام کرد. ما پلتفرمی را برای رفع این محدودیت ابداع کردیم تا ادغام واندروالس را انعطاف‌پذیرتر کنیم تا توسعه دستگاه‌های مبتنی بر مواد دوبعدی با عملکردهای جدید و بهبودیافته را تشویق کنیم.”
نیروئی این مقاله را با نویسنده اصلی پیتر ساترثوایت، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی برق و علوم کامپیوتر نوشت. جینگ کنگ، استاد EECS و همکار RLE. و دیگران در MIT، دانشگاه بوستون، دانشگاه ملی Tsing Hua در تایوان، شورای ملی علم و فناوری تایوان، و دانشگاه ملی چنگ کونگ در تایوان. این تحقیق در منتشر خواهد شد الکترونیک طبیعی.
یک جاذبه مقرون به صرفه
ایجاد سیستم‌های پیچیده مانند یک تراشه کامپیوتری با تکنیک‌های تولید معمولی می‌تواند کثیف شود. به طور معمول، یک ماده جامد مانند سیلیکون تا مقیاس نانو حکاکی می شود، سپس به اجزای دیگر مانند الکترودهای فلزی و لایه های عایق متصل می شود تا یک دستگاه فعال تشکیل شود. چنین دستکاری ممکن است به مواد آسیب برساند.
اخیراً، محققان بر روی ساخت دستگاه‌ها و سیستم‌ها از پایین به بالا با استفاده از مواد دو بعدی و فرآیندی که نیاز به آرایش فیزیکی ثابت دارد، تمرکز کرده‌اند. در این رویکرد، محققان به جای استفاده از چسب های شیمیایی یا دماهای بالا برای اتصال یک ماده دو بعدی شکننده به سطح معمولی مانند سیلیکون، از نیروهای واندروالس برای ادغام یک لایه فیزیکی از مواد دو بعدی بر روی دستگاه استفاده می کنند.
نیروهای واندروالس نیروهای جاذبه طبیعی هستند که بین همه ماده ها وجود دارند. به عنوان مثال، پاهای یک مارمولک می تواند به طور موقت به دلیل نیروهای واندروالس به دیوار بچسبد. اگرچه همه مواد برهمکنش های واندروالسی را نشان می دهند، بسته به ماده، نیروها همیشه به اندازه کافی قوی نیستند که آنها را در کنار هم نگه دارند. به عنوان مثال، یک ماده نیمه هادی دو بعدی معروف به نام دی سولفید مولیبدن به طلا، یک فلز می چسبد، اما به سادگی با تماس فیزیکی با آن سطح، مستقیماً به عایق هایی مانند دی اکسید سیلیکون منتقل نمی شود.
با این حال، ساختارهای ناهمگون ساخته شده با ادغام لایه های نیمه هادی و عایق، بلوک های اصلی ساختمان یک دستگاه الکترونیکی هستند. پیش از این، این ادغام با اتصال ماده دو بعدی به یک لایه میانی مانند طلا و سپس استفاده از این لایه میانی برای انتقال مواد دو بعدی به روی عایق قبل از برداشتن لایه میانی با استفاده از مواد شیمیایی یا دماهای بالا، فعال می شد.
محققان MIT به جای استفاده از این لایه قربانی، عایق با چسبندگی کم را در یک ماتریس با چسبندگی بالا تعبیه کردند. این ماتریس چسب چیزی است که باعث می شود مواد دو بعدی با چسبندگی کم به سطح تعبیه شده بچسبند و نیروهای لازم برای ایجاد یک رابط واندروالس بین ماده دو بعدی و عایق را فراهم می کند.
ساخت ماتریس
برای ساختن وسایل الکترونیکی، آنها سطح ترکیبی از فلزات و عایق ها را روی یک بستر حامل تشکیل می دهند. سپس این سطح کنده شده و برگردانده می شود تا سطح بالایی کاملاً صاف که حاوی بلوک های ساختمانی دستگاه مورد نظر است نمایان شود.
این صافی مهم است زیرا حفره‌های بین سطح و مواد دو بعدی می‌توانند مانع از تعاملات واندروالس شوند. سپس محققان مواد دو بعدی را به طور جداگانه و در محیطی کاملا تمیز آماده کرده و آن را در تماس مستقیم با پشته دستگاه آماده شده قرار می دهند.
هنگامی که سطح هیبریدی با لایه دو بعدی تماس پیدا کرد، بدون نیاز به دماهای بالا، حلال ها یا لایه های قربانی، می تواند لایه دو بعدی را برداشته و با سطح ادغام کند. به این ترتیب، ما یکپارچه سازی van derwaals را فعال می کنیم، که به طور سنتی ممنوع بود، اما اکنون امکان پذیر است و امکان تشکیل دستگاه های کاملاً کاربردی را در یک مرحله فراهم می کند.”
این فرآیند یک مرحله‌ای، رابط مواد دو بعدی را کاملاً تمیز نگه می‌دارد و به مواد اجازه می‌دهد تا به محدودیت‌های عملکرد اولیه خود برسند، بدون اینکه توسط نقص یا آلودگی مانع شوند.
و از آنجایی که سطوح نیز بکر باقی می‌مانند، محققان می‌توانند سطح ماده دو بعدی را طوری طراحی کنند که ویژگی‌ها یا اتصالاتی را با اجزای دیگر ایجاد کند. به عنوان مثال، آنها از این تکنیک برای ایجاد ترانزیستورهای نوع p استفاده کرده اند که معمولاً ساختن آنها با مواد دو بعدی چالش برانگیز است. ترانزیستورهای آنها نسبت به تحقیقات قبلی پیشرفت کرده اند و می توانند بستری برای مطالعه و دستیابی به عملکرد مورد نیاز برای الکترونیک عملی فراهم کنند.
رویکرد آنها را می توان برای ساخت آرایه های بزرگتر از دستگاه ها بزرگ کرد. تکنیک ماتریس چسب را می توان با طیف وسیعی از مواد و حتی سایر نقاط قوت برای بهبود انعطاف پذیری این پلت فرم استفاده کرد. به عنوان مثال، محققان گرافن را در یک دستگاه ادغام کردند و با استفاده از ماتریس ساخته شده از پلیمر، رابط های واندروالس مورد نظر را تشکیل دادند. در این مورد، چسبندگی متکی بر فعل و انفعالات شیمیایی است، نه فقط نیروهای واندروالس.
در آینده، محققان می‌خواهند بر روی این پلت‌فرم بسازند تا امکان ادغام یک کتابخانه متنوع از مواد دو بعدی را فراهم کنند تا خواص ذاتی آنها را بدون تأثیر آسیب پردازش مطالعه کنند و پلتفرم‌های دستگاه جدیدی را توسعه دهند که از این قابلیت‌های برتر بهره‌برداری کند.
این تحقیق تا حدی توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده، وزارت انرژی ایالات متحده، بورسیه بین رشته ای BUnano در دانشگاه بوستون و سرویس تحقیقات ارتش ایالات متحده تامین شده است. رویه‌های ساخت و خصوصیات عمدتاً در تأسیسات مشترک MIT.nano انجام شد.
