วิศวกรพัฒนาวัสดุขนาดบางระดับอะตอมที่ 'สมบูรณ์แบบ' บนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนที่ใช้ในอุตสาหกรรม

แผ่นคริสตัลที่สมบูรณ์แบบสองมิติที่ละเอียดอ่อนซึ่งบางราวกับอะตอมเดี่ยว ในระดับนาโนเมตร วัสดุ 2 มิติสามารถนำอิเล็กตรอนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าซิลิคอน การค้นหาวัสดุทรานซิสเตอร์รุ่นต่อไปจึงมุ่งเน้นไปที่วัสดุ 2 มิติในฐานะตัวตายตัวแทนของซิลิคอน แต่ก่อนที่อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์จะเปลี่ยนไปใช้วัสดุ 2 มิติได้ นักวิทยาศาสตร์ต้องหาทางวิศวกรรมวัสดุบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนมาตรฐานอุตสาหกรรมให้ได้ก่อน โดยยังคงรักษารูปแบบผลึกที่สมบูรณ์แบบเอาไว้ และตอนนี้วิศวกรของ MIT อาจมีวิธีแก้ปัญหาแล้ว ทีมงานได้พัฒนาวิธีการที่จะช่วยให้ผู้ผลิตชิปประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ที่เล็กลงกว่าเดิมจากวัสดุ 2 มิติ โดยการปลูกบนเวเฟอร์ซิลิคอนและวัสดุอื่นๆ ที่มีอยู่ วิธีการใหม่นี้เป็นรูปแบบหนึ่งของ "การเจริญเติบโตแบบผลึกเดี่ยวแบบไร้จุดศูนย์กลาง" ซึ่งทีมงานใช้เป็นครั้งแรกในการปลูกวัสดุ 2 มิติที่บริสุทธิ์และปราศจากข้อบกพร่องบนเวเฟอร์ซิลิคอนอุตสาหกรรม ด้วยวิธีการของพวกเขา ทีมงานได้สร้างทรานซิสเตอร์ที่ใช้งานได้อย่างง่ายจากวัสดุ 2 มิติชนิดหนึ่งที่เรียกว่าทรานซิชัน-เมทัล ไดชาลโคเจนไนด์ หรือ TMD ซึ่งเป็นที่รู้กันว่านำไฟฟ้าได้ดีกว่าซิลิคอนในระดับนาโนเมตร "เราคาดว่าเทคโนโลยีของเราจะช่วยให้สามารถพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไปที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์แบบ 2 มิติ ประสิทธิภาพสูง" Jeehwan Kim รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลของ MIT กล่าว "เราได้ปลดล็อกวิธีที่จะปฏิบัติตามกฎของมัวร์โดยใช้วัสดุ 2 มิติ" Kim และเพื่อนร่วมงานของเขาให้รายละเอียดเกี่ยวกับวิธี การของพวกเขาในบทความที่ปรากฏในNature ผู้ร่วมวิจัยของ MIT ได้แก่ Ki Seok Kim, Doyoon Lee, Celesta Chang, Seunghwan Seo, Hyunseok Kim, Jiho Shin, Sangho Lee, Jun Min Suh และ Bo-In Park พร้อมด้วยผู้ทำงานร่วมกันที่ University of Texas at Dallas มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่ริเวอร์ไซด์ มหาวิทยาลัยวอชิงตันในเซนต์หลุยส์ และสถาบันต่างๆ ทั่วเกาหลีใต้ การเย็บปะติดปะต่อคริสตัล ในการผลิตวัสดุ 2 มิติ โดยทั่วไปแล้วนักวิจัยจะใช้กระบวนการแบบแมนนวล ซึ่งเกล็ดที่บางระดับอะตอมจะถูกขัดออกจากวัสดุปริมาณมากอย่างระมัดระวัง เช่น การลอกชั้นของหัวหอมออก แต่วัสดุจำนวนมากส่วนใหญ่เป็นคริสตัลไลน์ซึ่งมีคริสตัลหลายตัวที่เติบโตในทิศทางแบบสุ่ม เมื่อผลึกหนึ่งมาบรรจบกัน "ขอบเขตของเกรน" จะทำหน้าที่เป็นอุปสรรคไฟฟ้า อิเล็กตรอนใดๆ ที่ไหลผ่านผลึกหนึ่งจะหยุดกะทันหันเมื่อพบกับผลึกที่มีทิศทางต่างกัน ทำให้การนำไฟฟ้าของวัสดุลดลง แม้หลังจากขัดผิวเกล็ด 2 มิติแล้ว นักวิจัยยังต้องค้นหาสะเก็ดเพื่อหาบริเวณ "ผลึกเดี่ยว" ซึ่งเป็นกระบวนการที่น่าเบื่อและใช้เวลามากซึ่งยากต่อการนำไปใช้ในระดับอุตสาหกรรม เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิจัยได้ค้นพบวิธีอื่น ๆ ในการประดิษฐ์วัสดุ 2 มิติ โดยการปลูกบนเวเฟอร์ของแซฟไฟร์ ซึ่งเป็นวัสดุที่มีรูปแบบหกเหลี่ยมของ อะตอม ซึ่งกระตุ้นให้วัสดุ 2 มิติรวมตัวกันในการวางแนวผลึกเดี่ยวแบบเดียวกัน "แต่ไม่มีใครใช้แซฟไฟร์ในอุตสาหกรรมหน่วยความจำหรือลอจิก" คิมกล่าว "โครงสร้างพื้นฐานทั้งหมดใช้ซิลิคอน สำหรับการประมวลผลเซมิคอนดักเตอร์ คุณต้องใช้ซิลิคอนเวเฟอร์" อย่างไรก็ตามเวเฟอร์ของซิลิคอนไม่มีฐานรองรับรูปหกเหลี่ยมของแซฟไฟร์ เมื่อนักวิจัยพยายามขยายวัสดุ 2 มิติบนซิลิกอน ผลที่ได้คือผลึกที่ปะติดปะต่อกันแบบสุ่มที่ผสานเข้าด้วยกันอย่างไม่ตั้งใจ ก่อตัวเป็นขอบเขตเกรนจำนวนมากที่ขัดขวางการนำไฟฟ้า "แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะปลูกวัสดุ 2 มิติแบบผลึกเดี่ยวบนซิลิกอน" คิมกล่าว "ตอนนี้เราแสดงให้คุณเห็นแล้ว และเคล็ดลับของเราคือป้องกันไม่ให้เกิดขอบเกรน" กระเป๋าเมล็ด "การเติบโตแบบผลึกเดี่ยวแบบไร้จุดศูนย์กลาง" แบบใหม่ของทีมไม่จำเป็นต้องลอกและค้นหาเกล็ดของวัสดุ 2 มิติ นักวิจัยใช้วิธีการสะสมไอแบบเดิมเพื่อปั๊มอะตอมไปทั่วเวเฟอร์ซิลิกอน ในที่สุดอะตอมจะจับตัวกันบนเวเฟอร์และนิวเคลียส เติบโตเป็นการวางแนวผลึกแบบสองมิติ หากปล่อยทิ้งไว้ตามลำพัง "นิวเคลียส" หรือเมล็ดของคริสตัลแต่ละอันจะเติบโตในทิศทางแบบสุ่มทั่วเวเฟอร์ซิลิคอน แต่คิมและเพื่อนร่วมงานของเขาพบวิธีที่จะจัดเรียงคริสตัลที่กำลังเติบโตแต่ละอันเพื่อสร้างบริเวณที่มีผลึกเดี่ยวทั่วทั้งแผ่นเวเฟอร์ ในการทำเช่นนั้น ขั้นแรกพวกเขาหุ้มเวเฟอร์ซิลิคอนใน "หน้ากาก" ซึ่งเป็นการเคลือบซิลิกอนไดออกไซด์ที่ออกแบบเป็นช่องเล็กๆ แต่ละช่องออกแบบมาเพื่อดักจับเมล็ดคริสตัล ข้ามแผ่นเวเฟอร์ที่สวมหน้ากาก พวกเขาไหลก๊าซของอะตอมที่ตกตะกอนในแต่ละช่องเพื่อสร้างวัสดุ 2 มิติ ในกรณีนี้คือ TMD กระเป๋าของหน้ากากเชื่อมอะตอมและกระตุ้นให้รวมตัวกันบนเวเฟอร์ซิลิคอนในแนวผลึกเดี่ยวเดียวกัน "นั่นเป็นผลลัพธ์ที่น่าตกใจมาก" คิมกล่าว "คุณมีการเติบโตของผลึกเดี่ยวในทุกที่ แม้ว่าจะไม่มีความสัมพันธ์แบบ epitaxial ระหว่างวัสดุ 2 มิติกับเวเฟอร์ซิลิคอน" ด้วยวิธีการกำบัง ทีมงานได้สร้างทรานซิสเตอร์ TMD อย่างง่าย และแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพทางไฟฟ้านั้นดีพอๆ กับเกล็ดบริสุทธิ์ของวัสดุชนิดเดียวกัน พวกเขายังใช้วิธีนี้ในการออกแบบอุปกรณ์หลายชั้น หลังจากปิดแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนด้วยมาสก์ที่มีลวดลายแล้ว พวกเขาขยายวัสดุ 2 มิติประเภทหนึ่งให้เต็มครึ่งหนึ่งของสี่เหลี่ยมแต่ละช่อง จากนั้นจึงขยายวัสดุ 2 มิติประเภทที่สองบนชั้นแรกเพื่อเติมเต็มส่วนที่เหลือของช่องสี่เหลี่ยม ผลลัพธ์ที่ได้คือโครงสร้าง Bilayer แบบผลึกเดี่ยวที่บางเฉียบภายในแต่ละช่องสี่เหลี่ยม คิมกล่าวว่าในอนาคต วัสดุ 2 มิติหลายชิ้นสามารถปลูกและซ้อนกันด้วยวิธีนี้เพื่อสร้างฟิล์มบางเฉียบ ยืดหยุ่น และมัลติฟังก์ชั่น "จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีวิธีการสร้างวัสดุ 2 มิติในรูปแบบผลึกเดี่ยวบนเวเฟอร์ซิลิคอน ดังนั้นทั้งชุมชนจึงเกือบจะล้มเลิกที่จะไล่ตามวัสดุ 2 มิติสำหรับโปรเซสเซอร์รุ่นต่อไป" คิมกล่าว "ตอนนี้เราได้แก้ไขปัญหานี้อย่างสมบูรณ์แล้ว ด้วยวิธีทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กกว่าสองสามนาโนเมตร ซึ่งจะเปลี่ยนกระบวนทัศน์ของกฎของมัวร์"