Ученый из Университета Райса и его сотрудники из Тайваня и Китая сообщили в Nature сегодня, что они успешно вырастили листы гексагонального нитрида бора (hBN) толщиной до атома в виде кристаллов диаметром два дюйма на пластине.
Удивительно, но они достигли долгожданной цели создания идеально упорядоченных кристаллов hBN, широкозонного полупроводника, воспользовавшись преимуществом беспорядка между меандрирующими ступенями на медной подложке. Случайные шаги удерживают hBN в порядке.
Установленный в микросхемах в качестве диэлектрика между слоями наноразмерных транзисторов, hBN в масштабе пластины превосходно подавляет рассеяние электронов и улавливает их, что ограничивает эффективность интегральной схемы. Но до сих пор никому не удавалось создать идеально упорядоченные кристаллы hBN, которые были бы достаточно большими – в данном случае на пластине – чтобы быть полезными.
Теоретик материалов из Школы инженерии Брауна Борис Якобсон является одним из ведущих ученых в исследовании с Лайн-Йонгом (Лэнс) Ли из Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) и его команда. Якобсон и Чи-Пиао Чу из TSMC провели теоретический анализ и расчеты первых принципов, чтобы раскрыть механизмы того, что их соавторы видели в экспериментах.
В качестве доказательства концепции производства экспериментаторы из TSMC и Тайваньского национального университета Чиао Дун вырастили двухдюймовую 2D пленку hBN, перенесли ее на кремний, а затем поместили слой полевых транзисторов с рисунком на двумерный дисульфид молибдена поверх hBN.
«Главное открытие в этой работе заключается в том, что можно получить монокристалл на пластине, а затем его можно перемещать», – сказал Якобсон. "Тогда они смогут делать устройства."
«Не существует метода, который мог бы производить однослойные диэлектрики hBN с чрезвычайно высокой воспроизводимостью на пластине, что необходимо для электронной промышленности», – добавил Ли. "Эта статья раскрывает научные причины, по которым мы можем достичь этого."
Якобсон надеется, что эта техника может также широко применяться к другим 2D-материалам, с некоторыми пробами и ошибками. «Я думаю, что физика, лежащая в основе, носит довольно общий характер», – сказал он. «Нитрид бора – важный материал для диэлектриков, но многие желательные 2D-материалы, такие как 50 или около того дихалькогенидов переходных металлов, имеют те же проблемы с ростом и переносом, и могут извлечь выгоду из того, что мы обнаружили."
В 1975 году Гордон Мур из Intel предсказал, что количество транзисторов в интегральной схеме будет удваиваться каждые два года.
Но по мере того, как архитектуры интегральных схем становятся все меньше, с линиями схемы до нескольких нанометров, темпы прогресса было трудно поддерживать.
Возможность наложения двухмерных слоев, каждый из которых содержит миллионы транзисторов, может преодолеть такие ограничения, если они могут быть изолированы друг от друга. Изоляционный hBN – лучший кандидат для этой цели из-за его широкой запрещенной зоны.
Несмотря на то, что в названии есть «гексагональный», монослои hBN, как видно сверху, выглядят как суперпозиция двух различных треугольных решеток из атомов бора и азота. Чтобы материал соответствовал техническим требованиям, кристаллы hBN должны быть идеальными; то есть треугольники должны быть соединены и все указывают в одном направлении. Неидеальные кристаллы имеют границы зерен, которые ухудшают электронные свойства материала.
Чтобы hBN стал идеальным, его атомы должны точно выровняться с атомами на подложке ниже. Исследователи обнаружили, что медь в конфигурации (111) – число указывает на то, как ориентирована поверхность кристалла – выполняет свою работу, но только после того, как медь отожжена при высокой температуре на сапфировой подложке и в присутствии водорода.
Отжиг удаляет границы зерен в меди, оставляя монокристалл.
Однако такая идеальная поверхность была бы «слишком гладкой», чтобы обеспечить ориентацию hBN, сказал Якобсон.
Якобсон сообщил об исследовании в прошлом году по выращиванию нетронутого борофена на серебре (111), а также о теоретическом предсказании того, что медь может выравнивать hBN благодаря дополнительным ступеням на ее поверхности. Поверхность меди была вицинальной, то есть слегка искаженной, чтобы обнажить атомные ступени между обширными террасами. Эта статья привлекла внимание промышленных исследователей на Тайване, которые обратились к профессору после выступления там в прошлом году.
«Они сказали:« Мы читаем вашу газету », – вспоминал Якобсон. «Мы видим что-то странное в наших экспериментах. Мы можем поговорить?’Вот как это началось."
Основываясь на своем более раннем опыте, Якобсон предположил, что тепловые флуктуации позволяют меди (111) сохранять ступенчатые террасы на своей поверхности, даже когда ее собственные границы зерен устраняются. Атомы в этих извилистых «ступенях» представляют как раз правильную межфазную энергию для связывания и ограничения hBN, который затем растет в одном направлении, пока он прикрепляется к плоскости меди посредством очень слабой силы Ван-дер-Ваальса.
«На каждой поверхности есть ступеньки, но в предыдущей работе ступени были на тщательно спроектированной вицинальной поверхности, что означает, что все они идут вниз или все вверх», – сказал он. «Но на меди (111) ступеньки поднимаются и опускаются всего на один или два атома случайным образом, что предлагается фундаментальной термодинамикой."
Из-за ориентации меди горизонтальные атомные плоскости смещены на долю решетки под ней. «Ступеньки на поверхности выглядят одинаково, но они не являются точными зеркальными двойниками», – пояснил Якобсон. "С нижним слоем перекрытие с одной стороны больше, чем с противоположной."
Это приводит к тому, что энергии связи на каждой стороне медного плато различаются на минуту 0.23 электрон-вольта (на каждую четверть нанометра контакта), чего достаточно, чтобы заставить стыковочные ядра hBN расти в том же направлении, сказал он.
Экспериментальная группа обнаружила, что оптимальная толщина меди составляет 500 нанометров, что достаточно для предотвращения ее испарения во время роста hBN посредством химического осаждения из паровой фазы аммиачного борана на подложку из меди (111) / сапфира.