萊斯大學的一個材料科學家團隊開發(fā)了一種將超薄半導體直接生長到電子元件上的新方法。

發(fā)表在《ACS Applied Electronic Materials》上的一項研究中描述了該方法，可以幫助簡化二維材料與下一代電子、神經形態(tài)計算和其他需要超薄高速半導體的技術的集成。

研究人員使用化學氣相沉積 （CVD） 將二硒化鎢（一種二維半導體）直接生長到圖案化金電極上。接下來，他們通過構建一個功能性、概念驗證的晶體管來演示這種方法。與需要將易碎的 2D 薄膜從一個表面轉移到另一個表面的傳統(tǒng)技術不同，Rice 團隊的方法完全消除了轉移過程。

“這是首次展示一種無轉移方法來種植 2D 設備，”萊斯大學博士生、該研究的第一作者薩特維克·阿賈伊·艾揚格 （Sathvik Ajay Iyengar） 與萊斯大學博士校友盧卡斯·薩西 （Lucas Sassi） 一起說?！斑@是朝著降低加工溫度和實現(xiàn)無轉移的二維半導體集成工藝邁出的堅實一步?！?/p>

這一發(fā)現(xiàn)始于一次例行實驗中的一次意外觀察。

“我們從一位合作者那里收到了一個樣本，上面有金色標記，”薩西說?！霸贑VD生長過程中，2D材料意外地主要在金表面形成。這一令人驚訝的結果激發(fā)了這樣一個想法，即通過故意對金屬觸點進行圖案化，我們也許能夠直接引導二維半導體在金屬觸點上的生長。

半導體是現(xiàn)代計算的基礎，隨著行業(yè)競相向更小、更快、更高效的組件，集成二硒化鎢等更高性能、原子級薄的材料日益成為優(yōu)先事項。

傳統(tǒng)的器件制造需要單獨生長二維半導體，通常是在非常高的溫度下，然后使用一系列步驟進行轉移。雖然二維材料有望在某些指標上優(yōu)于硅，但事實證明，將其實驗室規(guī)模的承諾轉化為行業(yè)相關應用已經很困難——這在很大程度上是由于材料在轉移過程中的脆弱性。

“轉移過程會降低材料的性能并損害其性能，”萊斯大學 Pulickel Ajayan 研究小組的成員艾揚格說。

Rice 團隊優(yōu)化了前體材料以降低 2D 半導體的合成溫度，并表明它以受控的定向方式生長。

“了解這些二維半導體如何與金屬相互作用，尤其是在原位生長時，對于未來的設備制造和可擴展性非常有價值，”萊斯大學本杰明·M·安德森和瑪麗·格林伍德·安德森工程學教授兼材料科學和納米工程教授阿賈揚說。

該團隊使用先進的成像和化學分析工具，證實該方法保持了金屬觸點的完整性，而金屬觸點在高溫下很容易損壞。

“我們在這個項目中的很多工作都集中在證明材料系統(tǒng)仍然完好無損，”艾揚格說?！拔覀冊谌R斯大學裝備精良，可以對這一過程中發(fā)生的化學進行非常精細的研究。看到這些材料之間的界面發(fā)生了什么是研究的一個巨大動力。

Sassi 指出，該方法的成功在于金屬和二維材料在生長過程中的強烈相互作用。

“缺乏可靠、無轉移的二維半導體生長方法一直是將其集成到實際電子產品中的主要障礙，”他說。“這項工作可能會為在下一代晶體管、太陽能電池和其他電子技術中使用原子薄材料帶來新的機會。”
除了制造過程中
的挑戰(zhàn)外，二維半導體設計的另一個關鍵障礙是電觸點的質量，這不僅需要低能量障礙，還需要穩(wěn)定持久的性能、可擴展性和與各種材料的兼容性。

“原位生長方法使我們能夠結合多種策略來同時提高接觸質量，”該研究的共同通訊作者、萊斯大學前研究科學家阿南德·普蒂拉特 （Anand Puthirath） 說。

該項目是由美印研究計劃中提出的一個問題引發(fā)的：能否在有限的預算內開發(fā) 2D 材料的半導體制造工藝？

“這始于我們與印度合作伙伴的合作，”艾揚格說，他是日本科學振興會的會員，也是四方獎學金的首屆獲得者，該計劃由美國、印度、澳大利亞和日本政府發(fā)起，旨在支持早期職業(yè)科學家探索科學、政策和外交如何在全球舞臺上交叉。“它展示了國際伙伴關系如何幫助識別實際限制并激發(fā)在全球研究環(huán)境中發(fā)揮作用的新方法。”

艾揚格與四方獎學金隊列中的幾位同行共同撰寫了一篇文章，倡導“在 STEM 和外交交叉領域需要專業(yè)知識”。
艾揚格說
：“科學家和政策制定者之間加強接觸對于確保科學進步轉化為造福整個社會的可行政策至關重要?！安牧峡茖W是國際合作可能被證明是無價的研究領域之一，特別是考慮到關鍵礦物供應有限和供應鏈中斷等限制?！?br/>