Tecnica per integrare materiali 2D nei dispositivi

Integrati in modo sicuro fragili materiali 2D nei dispositivi. Questo apre la strada verso futuri dispositivi con proprietà ottiche ed elettroniche uniche

I materiali bidimensionali, spessi solo pochi atomi, possono esibire proprietà incredibili, come la capacità di trasportare la carica elettrica in modo estremamente efficiente, che potrebbe aumentare le prestazioni dei dispositivi elettronici di prossima generazione.

Ma l’integrazione dei materiali 2D in dispositivi e sistemi come i chip dei computer è notoriamente difficile. Queste strutture ultrasottili possono essere danneggiate dalle tecniche di fabbricazione convenzionali, che spesso si basano sull’uso di sostanze chimiche, alte temperature o processi distruttivi come l’incisione.

Per superare questa sfida, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e di altri paesi hanno sviluppato una nuova tecnica per integrare materiali 2D nei dispositivi in un unico passaggio, mantenendo le superfici dei materiali e le interfacce risultanti intatte e prive di difetti.

Il loro metodo si basa sulle forze superficiali ingegneristiche disponibili su scala nanometrica per consentire al materiale 2D di essere fisicamente impilato su altri strati di dispositivi precostruiti. Poiché il materiale 2D rimane intatto, i ricercatori possono sfruttare appieno le sue proprietà ottiche ed elettriche uniche.

Essi hanno utilizzato questo approccio per fabbricare matrici di transistor 2D che hanno ottenuto nuove funzionalità rispetto ai dispositivi prodotti utilizzando tecniche di fabbricazione convenzionali. Il loro metodo, sufficientemente versatile da poter essere utilizzato con molti materiali, potrebbe avere diverse applicazioni nel calcolo ad alte prestazioni, nel rilevamento e nell’elettronica flessibile.

Fondamentale per sbloccare queste nuove funzionalità è la capacità di formare interfacce pulite, tenute insieme da forze speciali che esistono tra tutta la materia, chiamate forze di van der Waals.

Tuttavia, l'integrazione di materiali di van der Waals in dispositivi perfettamente funzionanti non è sempre facile, afferma la dottoressa Farnaz Niroui (1), assistente professoressa di ingegneria elettrica e informatica (electrical engineering and computer science - EECS), membro del Research Laboratory of Electronics (RLE) e autrice senior un nuovo articolo, pubblicato su Nature Electronics (2), che descrive il lavoro.

La professoressa Niroui spiega che «L’integrazione di Van der Waals presenta un limite fondamentale. Poiché queste forze dipendono dalle proprietà intrinseche dei materiali, non possono essere facilmente regolate. Di conseguenza, ci sono alcuni materiali che non possono essere integrati direttamente tra loro utilizzando solo le loro interazioni di van der Waals. Abbiamo creato una piattaforma per affrontare questo limite e contribuire a rendere l’integrazione di van der Waals più versatile, per promuovere lo sviluppo di dispositivi basati su materiali 2D con funzionalità nuove e migliorate».

Attrazione vantaggiosa

Realizzare sistemi complessi come un chip di computer con tecniche di fabbricazione convenzionali può diventare complicato. In genere, un materiale rigido come il silicio viene scolpito su scala nanometrica, quindi interfacciato con altri componenti come elettrodi metallici e strati isolanti per formare un dispositivo attivo. Tale lavorazione può causare danni ai materiali.

Recentemente, i ricercatori si sono concentrati sulla costruzione di dispositivi e sistemi dal basso verso l’alto, utilizzando materiali 2D e un processo che richiede l’impilamento fisico sequenziale. In questo approccio, invece di utilizzare colle chimiche o alte temperature per legare un fragile materiale 2D a una superficie convenzionale come il silicio, i ricercatori sfruttano le forze di van der Waals per integrare fisicamente uno strato di materiale 2D su un dispositivo.

Le forze di Van der Waals sono forze di attrazione naturale che esistono tra tutta la materia. Ad esempio, i piedi di un geco possono attaccarsi temporaneamente al muro a causa delle forze di van der Waals. Sebbene tutti i materiali presentino un'interazione di van der Waals, a seconda del materiale, le forze non sono sempre abbastanza forti da tenerli insieme. Ad esempio, un popolare materiale semiconduttore 2D noto come disolfuro di molibdeno si attaccherà all'oro, un metallo, ma non si trasferirà direttamente a isolanti come il biossido di silicio semplicemente entrando in contatto fisico con quella superficie.

Tuttavia, le eterostrutture realizzate integrando semiconduttori e strati isolanti sono elementi fondamentali di un dispositivo elettronico. In precedenza, questa integrazione veniva consentita legando il materiale 2D a uno strato intermedio come l’oro, quindi utilizzando questo strato intermedio per trasferire il materiale 2D sull’isolante, prima di rimuovere lo strato intermedio utilizzando prodotti chimici o alte temperature.

Invece di utilizzare questo strato sacrificale, i ricercatori del MIT incorporano l’isolante a bassa adesione in una matrice ad alta adesione. Questa matrice adesiva è ciò che fa aderire il materiale 2D alla superficie incorporata a bassa adesione, fornendo le forze necessarie per creare un'interfaccia di van der Waals tra il materiale 2D e l'isolante.

Realizzare la matrice

Per realizzare dispositivi elettronici, formano una superficie ibrida di metalli e isolanti su un substrato portante. Questa superficie viene quindi staccata e capovolta per rivelare una superficie superiore completamente liscia che contiene gli elementi costitutivi del dispositivo desiderato.

Questa levigatezza è importante, poiché gli spazi tra la superficie e il materiale 2D possono ostacolare le interazioni di van der Waals. Quindi, i ricercatori preparano il materiale 2D separatamente, in un ambiente completamente pulito e lo mettono a diretto contatto con lo stack del dispositivo preparato.

«Una volta che la superficie ibrida viene messa in contatto con lo strato 2D, senza bisogno di alte temperature, solventi o strati sacrificali, può raccogliere lo strato 2D e integrarlo con la superficie. In questo modo stiamo consentendo un’integrazione di van der Waals che sarebbe tradizionalmente vietata, ma che ora è possibile e consente la creazione di dispositivi perfettamente funzionanti in un unico passaggio», spiega il dottor Peter Satterthwaite (3).

Questo processo in un unico passaggio mantiene l'interfaccia del materiale 2D completamente pulita, consentendo al materiale di raggiungere i suoi limiti fondamentali di prestazione senza essere ostacolato da difetti o contaminazione.

E poiché anche le superfici rimangono intatte, i ricercatori possono progettare la superficie del materiale 2D per formare caratteristiche o connessioni con altri componenti. Ad esempio, hanno utilizzato questa tecnica per creare transistor di tipo p, generalmente difficili da realizzare con materiali 2D. I loro transistor sono migliorati rispetto agli studi precedenti e possono fornire una piattaforma per lo studio e il raggiungimento delle prestazioni necessarie per l'elettronica pratica.

Il loro approccio può essere adottato su larga scala per creare array di dispositivi più ampi. La tecnica della matrice adesiva può essere utilizzata anche con una vasta gamma di materiali e anche con altre forze per migliorare la versatilità di questa piattaforma. Ad esempio, i ricercatori hanno integrato il grafene su un dispositivo, formando le interfacce van der Waals desiderate utilizzando una matrice realizzata con un polimero. In questo caso, l’adesione si basa sulle interazioni chimiche piuttosto che sulle sole forze di van der Waals.

In futuro, i ricercatori vogliono basarsi su questa piattaforma per consentire l’integrazione di una libreria diversificata di materiali 2D per studiarne le proprietà intrinseche senza l’influenza dei danni da lavorazione e sviluppare nuove piattaforme di dispositivi che sfruttino queste funzionalità superiori.

Niroui ha scritto l'articolo con l'autore principale Peter Satterthwaite, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica; Jing Kong, professore dell'EECS e membro della RLE; e altri al MIT, alla Boston University, alla National Tsing Hua University di Taiwan, al National Science and Technology Council di Taiwan e alla National Cheng Kung University di Taiwan. La ricerca è pubblicata oggi su Nature Electronics.

Questa ricerca è finanziata, in parte, dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dalla BUnano Cross-Disciplinary Fellowship dell’Università di Boston e dall’Ufficio di ricerca dell’esercito americano. Le procedure di fabbricazione e caratterizzazione sono state eseguite, in gran parte, nelle strutture condivise del MIT.nano (4).

Riferimenti:

(1) Farnaz Niroui Group

(2) Van der Waals device integration beyond the limits of van der Waals forces using adhesive matrix transfer

(3) Peter Satterthwaite (Niroui Group)

(4) MIT.nano

Descrizione foto: La resa di questo artista mostra una nuova piattaforma di integrazione sviluppata dai ricercatori del MIT. Progettando le forze superficiali, possono integrare direttamente i materiali 2D nei dispositivi in un'unica fase di contatto e rilascio. - Credit: per gentile concessione di Sampson Wilcox/Research Laboratory of Electronics.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers safely integrate fragile 2D materials into devices