Новый метод склеивания 2D-полупроводников без клея

Разработка более компактных, быстрых и энергоэффективных электронных устройств — ключевая задача для инженеров. Двумерные (2D) полупроводники, представляющие собой однослойные или тонкие материалы с регулируемой электропроводностью, демонстрируют большой потенциал для создания миниатюрной электроники.

В отличие от традиционных полупроводников, эти ультратонкие материалы позволяют создавать устройства меньшего размера без потери производительности. Однако надежное производство высококачественных 2D-полупроводниковых пластин и их точная сборка в многослойные структуры долгое время оставались сложной задачей.

Недавно команда исследователей из Лаборатории материаловедения Суншаньху, Китайской академии наук и других институтов представила инновационный подход к прямому соединению двух 2D-полупроводниковых пластин без использования промежуточных материалов, действующих как клей. Этот метод, описанный в журнале Nature Electronics, открывает перспективы для разработки высокопроизводительных транзисторов и других электронных компонентов на основе 2D-полупроводников.

«2D-полупроводники являются перспективными строительными блоками для передовых электронных устройств», — отмечают Цзеин Лю, Цзяоцзяо Чжао и их коллеги. «Тем не менее, создание высококачественных 2D-полупроводниковых пластин с контролируемой структурой слоев остается вызовом. Мы описываем метод прямого соединения и разделения пластин, применимый к монослоям полупроводников, выращенным эпитаксиально на подложках с высокой адгезией, таких как сапфир».

Перспективный метод прямого соединения

Для соединения 2D-полупроводниковых материалов и создания более толстых структур с желаемыми свойствами инженеры традиционно использовали промежуточные материалы, напоминающие клей. Хотя эти материалы эффективны, они загрязняют интерфейс между соединяемыми полупроводниковыми слоями.

В связи с этим Лю, Чжао и их коллеги разработали альтернативную стратегию соединения, более подходящую для создания высококачественных структур из двух 2D-полупроводников. Их подход заключается в получении очень плоских, чистых и химически активных 2D-полупроводниковых слоев, которые слипаются без каких-либо клейких веществ при контакте.

«Процесс осуществляется как в вакууме, так и в перчаточном боксе, и не требует промежуточных слоев», — пишут авторы. «Он позволяет получать собранные 2D-полупроводники с чистыми интерфейсами, равномерностью в масштабе пластин и обеспечивает точный контроль количества слоев и угла скручивания между ними».

Создание электроники на основе 2D-полупроводников

Чтобы продемонстрировать потенциал предложенного метода, исследователи успешно применили его для создания различных структур из разнообразных 2D-монослоев. Созданные структуры имели разное количество слоев, собранных с различными углами скручивания.

«Мы использовали этот подход для создания различных гомо- и гетероструктур с 2D-монослоями, включая дисульфид молибдена (MoS2) и диселенид молибдена (MoSe2)», — сообщают авторы. «Мы также показали, что наш метод позволяет напрямую соединять монослой MoS2 с диэлектрическими подложками с высокой диэлектрической проницаемостью (HfO2 и Al2O3), сохраняя его собственные электронные свойства».

Эта работа открывает новые возможности для проектирования и производства более компактной, быстрой и производительной электроники. В будущем предложенная стратегия обратимого соединения может быть использована для создания других тщательно спроектированных структур, интегрирующих различные 2D-полупроводниковые монослои.