Используя специально обработанные кремниевые поверхности для изменения размера и формы кристаллов, исследователи нашли потенциально более быстрый и менее дорогой способ производства полупроводниковых кристаллов следующего поколения для микрочипов. Кристаллические материалы, полученные таким образом, могут, в свою очередь, сделать возможным новые научные открытия и ускорить технологические разработки в области квантовых вычислений, бытовой электроники и солнечных элементов и батарей с более высокой эффективностью.
Результаты описаны в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Nanotechnology.
«Наличие метода создания кристаллов в наномасштабе точно, быстро и без необходимости в традиционных нисходящих процессах дает большие преимущества для широкого использования наноматериалов в технологических приложениях», – сказал Томас Дж. Кемпа, профессор химии Университета Джона Хопкинса, руководивший исследованием.
Команда Kempa сначала покрыла кремниевые подложки – подложки, широко используемые в промышленных условиях для переработки полупроводников в устройства – газообразным фосфином.
Когда кристаллы вырастали на обработанных фосфином кремниевых подложках, авторы обнаружили, что они выросли в структуры, которые были намного меньше и более высокого качества, чем кристаллы, полученные традиционными способами.
Исследователи обнаружили, что реакция фосфина с кремниевой подложкой вызвала образование новой «дизайнерской поверхности».«Эта поверхность побудила кристаллы расти в виде горизонтальных« лент »в отличие от плоских листов и листов треугольной формы, которые обычно производятся. Более того, однородный цвет лица и структура с четкими краями этих лент соперничают с качеством нанокристаллов, полученных с помощью стандартных в отрасли процессов формирования рисунка и травления, которые часто являются трудоемкими, длительными и дорогими, сказал Кемпа.
Нанокристаллы, полученные в этом исследовании, называются «дихалькогенидами переходных металлов» или TMD.
Как и графен, ДВПН привлекли всеобщее внимание из-за того, что обладают мощными свойствами, которые являются уникальным следствием их «двумерного» масштаба. Но традиционные методы обработки не позволяют легко изменить структуру TMD таким образом, чтобы это соответствовало новым открытиям и разработке более эффективных технологий.
Примечательно, что версии TMD, которые Кемпа и его команда смогли создать, были настолько малы, что они назвали их «одномерными», чтобы отличать их от обычных двумерных листов, с которыми знакомы большинство исследователей.
Ограничения обработки материалов – одна из причин замедления действия закона Мура в последние годы.
Правило, установленное в 1965 году соучредителем IBM Гордоном Э. Мур утверждает, что количество транзисторов и их производительность в интегральной схеме высокой плотности будут удваиваться примерно каждые два года. Упаковка такого количества транзисторов микронного размера в микрочипы или интегральные схемы является причиной того, что потребительская электроника неуклонно становилась меньше, быстрее и умнее за последние несколько десятилетий.
Однако полупроводниковая промышленность сейчас изо всех сил пытается поддерживать этот темп.
Примечательные особенности кристаллов, приготовленных Кемпа и его командой, включают:
1. Их очень однородная атомная структура и качество проистекают из того факта, что они были синтезированы, а не изготовлены с помощью традиционных методов формирования рисунка и травления.
Элегантное качество этих кристаллов может сделать их более эффективными при проведении и преобразовании энергии в солнечных элементах или катализаторах. 2. Исследователи смогли напрямую вырастить кристаллы в соответствии с их точными спецификациями, изменив количество фосфина.
3. «Дизайнерская подложка» является «модульной», что означает, что академические и промышленные лаборатории могут использовать эту технологию в сочетании с другими существующими процессами выращивания кристаллов для создания новых материалов.
4. «Дизайнерские подложки» также можно использовать повторно, что позволяет экономить деньги и время на обработке.
5. Полученные в результате одномерные кристаллы в форме ленты излучают свет, цвет которого можно регулировать, регулируя ширину ленты, что указывает на их потенциальные перспективы в приложениях квантовой информации.
«Мы вносим фундаментальный прогресс в рациональное управление формой и размерами наноразмерных материалов», – сказал Кемпа.
Этот метод может «лепить наноразмерные кристаллы способами, которые раньше были невозможны», – добавил он. "Такой точный синтетический контроль размера кристаллов на этих масштабах длины беспрецедентен."
«Наш метод может значительно сэкономить время и деньги на обработку», – сказал он. «Наша способность управлять этими кристаллами по желанию может быть задействована в приложениях для хранения энергии, квантовых вычислений и квантовой криптографии."