تکنیک‌ها ساخت مدارهای دو بعدی را ساده می‌کنند

پنجم مارس 2019، توسط راب ماتسون، موسسه فناوری ماساچوست

 
توضیح تصویر: محققان MIT یک تکنیک برای رشد مواد دو بعدی به طور مستقیم بر روی زیر لایه‌های الگو داده شده (که در اینجا نشان داده شده است) را توسعه داده‌اند و سپس الگوها را برای تولید سریع‌تر و ساده‌تر تراشه بازیافت می‌کنند.
 
مواد عجیب و غریب دو بعدی نوید بخش بزرگی برای ایجاد مدارهایی به نازکی اتم هستند که می‌تواند توانبخشِ الکترونیک انعطاف پذیر، اپتو الکترونیک و دیگر دستگاه‌های نسل بعدی قدرت باشد. اما تولید مجتمع‌های پیچیده دو بعدی نیاز به چندین مرحله‌ی وقت گیر و گران قیمت دارد.
 
در یک مقاله منتشر شده در PNAS، محققان MIT و جاهای دیگر، تکنیک‌هایی را توصیف می‌کنند که فرآیند ساخت را، با رشد یک ماده دو بعدی مستقیما بر روی یک زیر لایه الگو و بازیافت الگوهای مدار، ساده تر می‌کنند.
 
محققان، با دقت، یک تک لایه دی سولفید مولیبدن (MoS2)، که فقط سه اتم ضخیم است، را بر روی یک بستر رشد در یک الگوی انتخابی رشد می‌دهند. این روی کرد متفاوت از تکنیک‌های سنتی است که در آن یک ماده را به صورت تکراری روی لایه‌های چندگانه رشد می‌دهند و کنده کاری می‌کنند. این فرایندها به مرور زمان افزایش می‌یابد و احتمال ایجاد نقایص سطحی را افزایش می‌دهد که ممکن است عملکرد مواد را مختل کند.
 
با استفاده از روش جدید، تنها با استفاده از آب، محققان می‌توانند مواد را از بستر رشد خود به قسمت بستر مقصد، آن چنان تمیز منتقل کنند که زیر لایه‌ی الگو گرفته‌ی اصلی بتواند به عنوان یک نوع قالب المثنای اصلی مجدداً مورد استفاده قرار گیرد، یعنی یک قالب قابل استفاده مجدد برای تولید . در تولید سنتی، زیر لایه‌های رشد پس از هر بار انتقال مواد، انداخته می‌شوند و بایستی مدار را دوباره بر روی یک بستر جدید طراحی کنیم تا مواد بیشتری دو باره رشد دهیم. با استفاده از روش جدید، تنها با استفاده از آب، محققان می‌توانند مواد را از بستر رشد خود به قسمت بستر مقصد، آن چنان تمیز منتقل کنند که زیر لایه‌ی الگو گرفته‌ی اصلی بتواند به عنوان یک نوع قالب المثنای اصلی مجدداً مورد استفاده قرار گیرد
 
هنگامی که ما افزایش مقیاس می‌دهیم و ابزارهای الکترونیکی را پیچیده‌تر می‌سازیم، مردم نیاز به ادغام مواد دو بعدی زیادی را به لایه‌های بیشتر و اشکال خاص خواهند داشت. اگر ما بخواهیم قدم به قدم از روش‌های سنتی پیروی کنیم، بسیار زمانبر و ناکارآمد خواهد بود. این روش نشان دهنده پتانسیل ساخت کل فرآیند ساخت به روشی ساده تر و کارآمدتر، و با هزینه‌های پایین‌تر است.
 
در کارشان، محققان الگوهای دلخواه خود را ساخته و یک ترانزیستور کاریِ ساخته شده از MoS2 تولید کردند، که یکی از نازک ترین نیمه هادی شناخته شده است. در تحقیق خود، محققان چهار بار زیرگروه الگو را با استفاده از نشانه‌های سایش بازیافت کردند.
 

محققان با استفاده از تکنیک‌هایی که از پلاسمای مبتنی بر اکسیژن استفاده می‌کنند، برای طراحی یک الگوی بر پایه ی رشد، توانایی ساخت الگوها را به سطح زیر لایه می‌دهند. برخی از نسخه‌های این تکنیک قبل از استفاده از الگوهای دو بعدی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. اما تفکیک فضایی یعنی اندازه ساختار دقیق که می‌توان آن را ساخت، نسبتا ضعیف (100 میکرون) است و عملکرد الکتریکی بسیار پایین تر از مواد رشد داده شده با استفاده از روش های دیگر است.
 
برای حل این مسئله، محققان مطالعاتی جامع را در مورد این که چگونه اتمهای MoS2، خود را بر روی سطح زیر لایه نظم می‌دهند و چگونه پیش ماده‌های شیمیایی خاص می‌توانند به کنترل رشد مواد کمک کنند، انجام داند. در انجام این کار، آنها توانستند از تکنیک برای رشد یک لایه ی MoS2 با کیفیت بالا در الگوهای دقیق استفاده کنند.
 
محققان از ماسک‌های فوتولیتوگرافی سنتی بر روی یک زیر لایه‌ی سیلیکون اکسید استفاده می‌کنند، جایی که الگوی مورد نظر در ناحیه‌هایی است که نور به آن نمی‌رسد. سپس این مناطق در معرض پلاسمای مبتنی بر اکسیژن قرار می‌گیرند. پلاسما در حدود یک تا دو نانومتر از بستر را در الگو حکاکی می‌کند.
 
این فرایند همچنین یک انرژی سطحی بالاتر و یک وابستگی افزایش یافته برای مولکول‌های آب دوست ("هیدروفیل") در این مناطق مورد عمل با پلاسما ایجاد می‌کند. محققان سپس از یک نمک آلی استفاده می‌کنند که PTAS نامیده می‌شود، که به عنوان یک تحریک کننده‌ی رشد برای MoS2 عمل می‌کند. نمک به مناطق تازه حکاکی شده‌ی هیدروفیلی جذب می‌شود. علاوه بر این، محققان از گوگرد، یک ماده پیشگام برای رشد MoS2، با مقدار دقیق، و دما برای تنظیم دقیق میزان اتمهایی که روی زیر لایه شکل می‌گیرند استفاده می‌کنند. محققان از ماسک‌های فوتولیتوگرافی سنتی بر روی یک زیر لایه‌ی سیلیکون اکسید استفاده می‌کنند، جایی که الگوی مورد نظر در ناحیه‌هایی است که نور به آن نمی‌رسد.
 
هنگامی که محققان پس از آن رشد MoS2 را اندازه گیری کردند، آنها دریافتند که در حدود 0.7 نانومتر از الگوی حکاکی شده را پر کرده است. این معادل دقیقا یک لایه MoS2 است.
 

در ادامه، محققان یک روش برای بازیافت بستر الگو را توسعه دادند. به طور سنتی، انتقال مواد دو بعدی از یک زیر لایه‌ی رشد به بستر مقصد، مانند یک سطح انعطاف پذیر، نیاز دارد به محصور کردن تمام مواد رشد داده شده در یک پلیمر، حکاکی شیمیایی آن و جداسازی آن از بستر رشد آن. اما این به ناچار آلاینده‌ها را به مواد می‌رساند. هنگامی که ماده آزاد می‌شود، همچنین پسماندهایی را پشت سر خود باقی می‌گذارد، بنابراین زیر لایه‌ی اصلی ممکن است قابل استفاده‌ی مجدد نباشد.
 
با این حال، با توجه به تعامل ضعیف MoS2 و زیر لایه‌ی رشد، محققان دریافته‌اند که می توانند MoS2 را به طور واضح از زیر لایه‌ی اصلی با غوطه‌وری آن در آب جدا کنند. این فرآیند، به نام "لایه لایه شدگی"، نیاز به استفاده از هر لایه پشتیبان را حذف می‌کند و باعث می‌شود یک جدا شدگی تمیز مواد از بستر ایجاد شود.
 
Guo می‌گوید: "به همین دلیل است که می‌توانیم آن را باز یافت کنیم." "پس از انتقال، به این دلیل که کاملا تمیز است، بستر الگوی ما بهبود می‌یابد و ما می‌توانیم از آن برای رشد چندگانه استفاده کنیم."
 
نوآوری‌های محققان، نقص‌های سطحی بسیار کمتری را ایجاد می‌کند. این نقص‌های سطحی عملکرد را محدود می‌کنند، همان طور که در تحرک الکترون‌ها اندازه گیری می‌شود که الکترون‌ها با چه سرعتی از میان نیمه رساناها جریان می‌یابند.
 
در مقاله خود، محققان همچنین گزارش ساخت یک ترانزیستور دو بعدی را دادند که آن را ترانزیستور اثر میدان نامیده‌اند.

 
بر گرفته از سایت فیز اُرگ