تولید ترانزیستور دو بعدی از طریق فرایندی کاملاً پاک

تصویر گرافن دو بعدی (تصویر آرشیوی).
اعتبار: © Ambelrip / Adobe Stock
 

نیمه هادی ها، که پایه های اصلی ترانزیستورها، ریزپردازنده ها، لیزرها و LED ها هستند، از اواسط قرن بیستم پیشرفت هایی در محاسبات، حافظه، ارتباطات و فناوری های روشنایی به وجود آورده اند. مواد دوبعدی اخیراً کشف شده، که دارای ویژگیهایی عالی بسیاری هستند، دارای این پتانسیل هستند که این تکنولوژی ها را پیشرفت دهند؛ اما ثابت شده است که تولید دستگاههای دو بعدی که هم تماس های الکتریکی خوب و هم عملکرد پایدار داشته باشند به چالش کشیدنی است.
 
محققان در بخش مهندسی دانشگاه کلمبیا گزارش کرده اند که با توسعه یک فرایند تولید کاملا تمیز و بدون آسیب، یک ترانزیستور تقریبا ایده آل را از یک پشته مواد دو بعدی با تنها یک لایه نیمه هادی به ضخامت دو اتم ساخته و به نمایش گذاشته اند. روش آنها عملکرد بسیار بهبود یافته ای را در مقایسه با نیمه هادی های دو بعدی ساخته شده با فرآیند متعارف نشان می دهد و می تواند یک پلت فرم مقیاس پذیر برای ایجاد دستگاه های فوق العاده پاک در آینده ارائه دهد. این مطالعه در مجله Nature Electronics منتشر شد.
 
جیمز تهرانی، استادیار مهندسی برق می گوید: "ساخت دستگاه ها از مواد دو بعدی، یک کسب و کار شلوغ است." "دستگاه ها از یک اجرا تا اجرای دیگر به طور گسترده ای تغییر می کنند و اغلب آنچنان سریع زوال پیدا می کنند که تقلبل اجرا را می بینید در حالی که شما همچنان در حال اندازه گیری آنها هستید."
 
تیم تهرانی پس از خسته شدن از افزایش نتایج ناهماهنگ قصد دارد راهی بهتر برای ایجاد تجهیزات پایدار توسعه دهد. او توضیح می دهد "بنابراین، ما تصمیم گرفتیم دستگاه طبیعی و دست نخورده را از فرآیندهای تولید کثیف که منجر به تغییرپذیری می شود، جدا کنیم."
 
همانطور که در این مطالعه جدید نشان داده شده است، تهرانی و همکارانش یک فرایند نانو ساخت فوق العاده تمیز دو مرحله ای را توسعه دادند که مرحله های "آشفته" ساخت – آنهایی که درگیر فلزی کردن "کثیف"، مواد شیمیایی و پلیمرهایی که برای تشکیل اتصالات الکتریکی به دستگاه استفاده می شود هستند - را از لایه نیمه هادی فعال جداسازی می کنند. هنگامی که آنها ساخت آشفته را کامل می کنند، می توانند تماس ها را انتخاب کنند و آنها را بر روی لایه دستگاه فعال تمیز منتقل کنند، و یکپارچگی هر دو لایه را حفظ کنند.
 
تهرانی می گوید: "نازکی این نیمه هادی ها یک نعمت و یک نقمت است." "در حالی که نازکی اجازه می دهد تا آنها شفاف باشند و برداشته شوند و در هر کجا که شما می خواهید قرار داده شوند، همچنین نازکی به این معنی است که حجمی تقریبا برابر با صفر دارند - دستگاه تقریبا به طور کامل یک سطح است. به همین دلیل، هر کثیفی یا آلودگی سطحی واقعا باعث منحط کردن وسیله می شود."
 
در حال حاضر اکثر دستگاه ها با یک لایه پوشش داده نمی شوند که سطح و تماس ها را از آلودگی در حین ساخت محافظت کند. تیم تهرانی نشان داده است که روش آنها اکنون نه تنها می تواند لایه نیمه هادی را محافظت کند، به طوری که در طول زمان تضعیف عملکرد را نمی بینند، بلکه همچنین می تواند دستگاه هایی با کارایی بالا را تولید کند.
 
تهرانی با جیم هون، وانگ فونگ ژن استاد مهندسی مکانیک در این کار مشارکت داشت و از امکانات ساخت و تجزیه و تحلیل مؤسسه ابتکار نانو کلمبیا و مرکز علوم و مهندسی تحقیقات مواد در کلمبیا سرمایه گذاری شده توسط مؤسسه علوم ملی استفاده کرد. این تیم تماس های منتقل شده را از فلز جاسازی کرده در نیترید بور هگزاگونال عایق (h-BN) در خارج از یک جعبه دستکش ساخت و سپس لایه تماس را بر روی نیمه هادی دو بعدی، که به صورت طبیعی و دست نخورده در داخل یک جعبه دستکش نگاه داشته شد، به صورت خشک انتقال داد. روش آنها اکنون نه تنها می تواند لایه نیمه هادی را محافظت کند، به طوری که در طول زمان تضعیف عملکرد را نمی بینند، بلکه همچنین می تواند دستگاه هایی با کارایی بالا را تولید کند. این فرآیند مانع از آسیب ناشی از القاء فلزی کردن مستقیم  می شود در حالی که به طور همزمان در کپسول نهی را برای حفاظت از دستگاه فراهم می کند.
 
اکنون که محققان یک روند پایدار و قابل تکرار را توسعه داده اند، آنها از پلت فرم استفاده می کنند تا دستگاه هایی را تولید کنند که می توانند از آزمایشگاه به مشکلات مهندسی در دنیای واقعی حرکت کنند.
 
تهرانی افزود: "توسعه دستگاه های دو بعدی با کارایی بالا نیاز به پیشرفت در مواد نیمه هادی که از آنها ساخته شده اند دارد." ابزارهای دقیق تر مانند مال ما، ما را قادر به ساخت سازه های پیچیده تر با کارآیی بالقوه بزرگتر و عملکرد بهتر می سازد. "
 

یک استاد شیمی به تازگی راهی برای تحریک روند فوتوسنتز در یک ماده ترکیبی پیدا کرده است که گازهای گلخانه ای را به هوای تمیز تبدیل می کند و به طور همزمان تولید انرژی می نماید. این فرآیند پتانسیل بالایی برای ایجاد یک فناوری دارد که می تواند گازهای گلخانه ای مرتبط با تغییرات اقلیمی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و همچنین یک روش پاک برای تولید انرژی ایجاد کند.
 
اوریب-رومو و تیم دانشجویی او راهی را برای شروع یک واکنش شیمیایی در یک ماده ترکیبی به نام چارچوب های آلی فلزی (MOF) به وجود آوردند که دی اکسید کربن را به مواد آلی بی ضرر می شکند. به آن به عنوان یک فرایند فتوسنتز مصنوعی، شبیه به روش هایی که گیاهان دی اکسید کربن (CO2) و نور خورشید را به غذا تبدیل می کنند، فکر کنید. اما به جای تولید مواد غذایی، روش اوریب رمو سوخت خورشیدی تولید می کند، و این چیزی است که دانشمندان در سراسر جهان برای سال ها دنبال می کرده اند.
 

منبع: دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه کلمبیا