Veijo Hänninen

Elektroniikkaa kaksiulotteisesti

Sitten grafeenin löytämisen kaksiulotteiset materiaalit ovat olleet monipuolisen tutkimuksen kohteena. Grafeeni on hyvä johde mutta sillä ei ole aktiivikomponenteissa tarvittavaa kaistaeroa. Joten tarvitaan jotain muuta.

Piin korvaajaksi tulevaisuuden elektroniikalle onkin etsitty vaihtoehtoja. Sellaiseksi esittivät vuonna 2011 EPFL-korkeakoulun Laboratory of Nanoscale Electronics and Structuresin (LANES) tutkijat molybdeenihohdetta.

Vuona 2012 he todistivat ehdotuksensa toimivuuden tuottamalla ensimmäisen molybdeniittiin perustuvan mikropiirin.

Molybdeenidisulfidi (MoS₂) on melko runsas luonnossa esiintyvä mineraali. Sen rakenne ja puolijohtavat ominaisuudet tekevät siitä ihanteellisen materiaalin transistoreille. Piihin verrattuna siitä voidaan valmistaa erittäin ohuita kalvoja ja grafeeniin verrattuna sillä on luonnostaan oma 1,8 elektronivoltin kielletty energiavyö.

Energiaraon vuoksi molybdeeni/rikki (tai volframi/rikki) materiaalit ovatkin elektroniikkateollisuutta kiinnostavia. Ne ovat teknisesti kaksiulotteisia materiaaleja vaikka niissä on metallikerros keskellä ja rikkiatomit ylä- ja alapuolella, mutta ne ovat liittyneet kovalenttisidoksin hunajakennomaiseksi hilaksi.

Elektronien liikkuvuus on kuitenkin molybdeenidisulfidissa liian alhainen käytännön piireihin mutta tämän puutteen EPFL:n tutkijat korjasivat käyttämällä halfniumoksidia porttieristeenä mikä nosti liikkuvuuden vastaavalle tasolle kuin grafeeniliuskoilla.

Myös MIT:n tutkijat tuottivat vuonna 2012 monimutkaisia elektronisia piirejä yhden molekyylin paksuisesta molybdeenidisulfidista. He valmistivat siitä invertterin, NAND-veräjän, peruslogiikkaa sekä muistipiirin ja rengasoskillaattorin.

Molybdeenidisulfidista voisi tehdä myös suuria näyttöjä, joissa erillinen transistori ohjaa kutakin näytön yksittäistä pikseliä. Materiaalia voidaan käyttää myös yhdessä muiden 2D-materiaalien kanssa, jotta saadaan aikaan valoa tuottavia laitteita.

Materiaali on niin ohut, että se on täysin läpinäkyvä ja se voidaan sijoittaa käytännöllisesti katsoen mihin tahansa muuhun aineeseen. Esimerkiksi MoS₂ voitaisiin soveltaa lasiin, tuottamaan silmälaseihin tai kodin tai toimiston ikkunaan rakennettu näyttö.

Flash-muisti grafeenista ja molybdeniitistä

Vuoden 2013 alussa EPFL:n tutkijat esittelivät flash-muistin, joka oli valmistettu yhdistämällä grafeenin ja molybdeniitin ominaisuudet yhdeksi muistisoluksi.

Kehitetyn prototyypin MoS₂-kanavatransistori on grafeenielektrodin päällä ja sen päällä on edelleen monikerroksinen grafeenista koostuva varausansa.

Yksikerroksinen MoS₂-transistori on erittäin herkkä ansakerroksen varauksille, jolloin tuloksena on 10⁴ -kertainen ero muistin tallennus- ja tyhjennystilan välillä.

Kultaiset portit molybdeenidisulfidille

Myös Kansas State Universityn kemian insinöörit ovat tutkineet molybdeenidisulfidia ja todenneet, että sen manipuloiminen kulta-atomeilla parantaa sähköisiä ominaisuuksia.

Tutkijaryhmä havaitsi molybdeenidisulfidin pinnalla olevalla rikkiryhmällä olevan vahva kemia jalometallien kuten kullan kanssa. Luomalla näiden välille sidoksen, huomattiin, että sidos toimi tehokkaana porttikondensaattorina.

- Tutkimus osoittaa tietä seuraavan sukupolven elektroniikan ja fotoniikan atomisesti yhdistelyille kerroksittaisille heterorakenteille, joissa vaikuttavat kapasitiiviset vuorovaikutukset, toteaa tutkimusryhmän vetäjä Vikas Berry yliopistonsa tiedotteessa.

Tutkimus tukee myös selvityksiä molybdeeni-grafeeni -perustaisista elektronien tunnelointitransistoreista, tarjoamalla tavan elektrodin suoralle liittymiselle molybdeenidisulfidin tunnelointiportilla.

Kullan yhdistäminen molybdeenidisulfidille tarjoaa toteutustavan transistoreille, biokemiallisille antureille, plasmonisille laitteille sekä katalyyttiselle alustalle.

Elektronien seostusta ja siirtoa

Yhdysvaltalaiset tutkijat ovat onnistuneet pintavarauksien siirron avulla seostamaan elektroneja muutaman kerroksiseen volframidiselenidiin (WSe₂) ja molybdeenidisulfidiiin (MoS₂).

Pintavarausten siirto seostusmekanismina on täysin erilainen, kuin tavanomainen puolijohdeseostus, jossa lisäaineatomit korvaavat puolijohteen hilan atomeja. Pintavarauksien siirrosta ei siten aiheudu kidevikoja, kuten perinteisessä seostuksessa.

Varauksien siirto onnistui höyryttämällä kaliumatomeja 2D-kerroksen päälle ja tuloksena olivat sellaiset elektronien tiheydet, että ne muodostavat ohmisen metallikontaktin niistä valmistettaviin piireihin.

Liityntäresistanssi rajoittaakin usein ultraohuiden nanoelektroniikan laitteiden suorituskykyä, toteaa tutkimusryhmän johtaja Ali Javey University of California at Berkeleystä aiheesta raportoineella nanotechweb.org -sivuilla.

Kalifornian Santa Barbaran ja Notre Damen yliopistojen tutkijat ovat puolestaan saaneet kohtuullisia virtoja kulkemaan transistorissa, joka on valmistettu yksikerroksisesta wolframidiseleenistä (WSe₂, tungsten diselenide).

Yksikerroksinen WSe₂ on kuin grafeeni. Sillä on kuusikulmainen atomirakenne ja massana se muodostuu kerroksista joita pitää yhdessä suhteellisen heikot Van der Waalsin voimat. Kuitenkin WSe₂:lla on grafeenista poiketen 1,6 elektronivoltin kaistaero.

Löytö oli kesällä 2013 ensimmäinen osoitus n-tyyppin WSe₂ kenttävaikutustransistorista (FET). Lisäksi siihen oli valittu kontaktimetalliksi, indium (In), joka tuottaa WSe₂:n kanssa pieniohmisen kosketusresistanssin.

Useampia materiaaleja yhdistäen

Rice Universityn tutkijat kertoivat keväällä 2013 luoneensa rakenteita, joissa yhdistyvät yhden atomin paksuisina grafeeni ja boorinitridi.

Mahdollinen grafeenielektroniikka edellyttää samankaltaisia, yhteensopivia kaksiulotteisia materiaaleja muiksi osiksi ja tutkijat ovat havainneet, että kuusikulmainen boorinitridi (h-BN) toimii hienosti eristeenä.

Valomaskien avulla boorinitridiin syntyneisiin aukkoihin kasvatettiin grafeenia, joka sitoutui reunoiltaan boorinitridin kanssa. Näin koostunut yksikerrosrakenne voidaan sitten irrottaa siirtää jollekin toiselle alustalle.

Kuviointia voidaan tehdä myös keskitetyllä ionisuihkujärjestelmällä. Kuvan atomipaksuinen pöllökuvio on boorinitridiä ja vaaleampi materiaali sen ympärillä on grafeenia.

Kesällä 2013 Rice Universityn ja Oak Ridge National Laboratoryn (ORNL) tutkijat olivat edenneet tavoitteeseen hallita yhtenäisen molybdeenidisulfidin (MDS) kasvua.

Tällä kertaa toiveena oli, että MDS voitaisiin liittää yhteen grafeenin ja boorinitridieristeen kanssa muodostamaan fet-transistoreita, integroituja piirejä, valoilmaisimia ja joustavaa optoelektroniikkaa.

Kyseiset materiaalit ovat kuitenkin hyvin erilaisia ja niitä kasvatetaan erilaisissa ympäristöissä. MDS eroaa grafeenista ja boorinitridistä siten, että se ei ole aivan tasainen. Ricen tutkijat näkevät kuitenkin monia mahdollisuuksia yhdistää materiaaleja kaksiulotteisesti kalvoiksi mutta myös kolmiulotteisiksi pinoiksi.

- Luonnolliset kiteet rakentuvat van der Waalsin voimien sidoksista mutta ne ovat kaikki samaa koostumusta. Nyt on mahdollisuus rakentaa 3D-kiteitä erilaisin koostumuksin, toteaa tutkimuksia vetänyt Jun Lou.

- Nämä ovat hyvin erilaisia materiaaleja, erilaisine sähköisine ominaisuuksineen. Latomalla niitä yhden toisensa päälle antaisi meille uudentyyppistä materiaalia, jota kutsumme van der Waalsin kiinteäksi (van der Waals Solids) toteaa tutkijakollega Pulickel Ajayan yliopiston tiedotteessa.

Uudet haastajat

Alkuvuodesta 2013 australialaisten CSIRO-tutkimuslaitoksen ja RMIT Universityn tutkijat esittelivät jälleen uuden kaksiulotteisen materiaalin.

Tutkijoiden kehittämä uusi nanomateriaali koostuu kerroksittaisista MoO₃-arkeista, joissa elektronit voivat viuhahtaa läpi suurilla nopeuksilla ja minimaalisella sironnalla.

Työssään tutkija esittävätkin, että kaksiulotteiset puolijohtavat metallioksidit, joilla on korkea dielektrisyysvakio (high-κ) tarjoavat ratkaisun saavuttaa korkea elektronien liikkuvuus.

He onnistuivat laskemaan molybdeenioksidin energiaraon arvon tasolle, josta voidaan valmistaan kaksiulotteisia piirejä. Näin syntyi kahdeksasta MoO₃-atomikerroksesta 11 nanon paksuinen fetti, jossa varauksenkuljettajien liikkuvuus on yli 1100 cm²/Vs eli samaa luokkaa kuin kaksiulotteisella piillä.

Nopeampaa kuin pii

Ohio State Universityn kemistit puolestaan kehittivät tekniikan tehdä yhden atomin paksuisia levyjä germaniumista ja mittailivat, että ne johtavat elektroneja yli kymmenen kertaa nopeammin kuin pii ja viisi kertaa nopeammin kuin perinteinen germanium.

Syntynyt germanane-materiaali on kemiallisesti jopa vakaampi kuin pii. Se ei hapetu ilmassa eikä vedessä, kuten pii, joten sitä on helpompi työstää tavanomaisilla sirujen valmistusmenetelmillä.

Uudella materiaalilla on suora kaistaero, mikä tarkoittaa, että valo imeytyy tai emittoituu siinä helpommin kuin perinteisessä piissä ja germaniumissa joilla on epäsuora kaistaero. Suorasta kaistaerosta johtuen esimerkiksi aurinkokennot voivat olla jopa 100 kertaa ohuempia.

Orgaanisia 2D-materiaaleja

National Institute for Materials Sciencen (NIMS) ja Max Planck Institute for Polymer Researchin yhteisessä tutkimuksessa kehitettiin maailman ensimmäinen supramolekylaarinen tiofeenin nanoarkki, joka on kaksiulotteinen arkki orgaanista materiaalia, jonka paksuus on 3,5 nanometriä.

Tiofeenijohdannaisia on aiemminkin tutkittu materiaaliksi FET-transistoreille, orgaanisille aurinkokennoille, orgaanisina elektroluminesenssin aineina ja muihin sovelluksiin.

Kuitenkin tiofeenisen ohutkalvon valmistusprosessissa on monia ongelmia mutta alkuvuonna 2013 NIMS:in tutkijat löysivät edullisen valmistusmenetelmän. Aikaansaaduilla tiofeenin nanoarkeilla on toteutettavissa orgaanista elektroniikkaa.

Useimmat orgaaniset puolijohtavat materiaalit siirtävät hyvin positiivisia varauksia mutta eivät negatiivisia.

Oregonin yliopiston kemistit ovat kuitenkin onnistuneen syntetisoimaan orgaanisia molekyylirakenteita, jotka mahdollistavat sekä positiivisien että negatiivisien sähkövarauksien liikkumisen.

Se on haluttu, mutta usein vaikea yhdistelmä saavuttaa nykyisissä pyrkimyksissä luoda erittäin joustavia elektronisia laitteita. Tässäkin tapauksessa kyse on vielä aiheen perustutkimuksesta.

Kalvoja veden päällä valmistaen

Puolijohteisen nanokalvon valmistaminen on kallista ja aikaa vievää. University of Wiscons, Madisonin tutkijat ovat kehittäneet yksinkertaisen ja edullisen tekniikan kasvattaa suuria, ultraohuita puolijohdearkkeja veden pinnalla.

Tutkijoiden mukaan menetelmällä voisi tuottaa joustavaa elektroniikkaa, valodiodeja ja lääketieteen antureita. Materiaalivalinta on sinkkioksidi, joka on lupaava materiaali joustaville transistoreille ja ultraviolettivaloa emittoiville diodeille. Tällä kertaa haluttiin hyödyntää myös sinkkioksidin pietsosähköistä ominaisuutta muuntaa mekaanista rasitusta sähkövirraksi.

Menetelmässä, pinta-aktiiviset aineet muodostavat kerroksen veden pinnalle ja toimivat mallina kasvaville nanokiteille ja näin onnistuttiin kehittämään prosessi valmistaa millimetrien levyisiä kalvoja.

Ferrosähköisiä ohutkalvoja

Kuten tuottamalla hiilestä timantti paineen avulla myös sähköisen materiaaliin ominaisuuksia voidaan parantaa ja muuttaa.

University of Illinois at Urbanan tutkijat ovat kehittäneet menetelmän tehdä ferrosähköistä ohutkalvoa paineen avulla, jolloin tuloksena on epätavallinen suorituskyky.

Näin tuotetuilla PZT-kalvoilla ei ole vain parempia ominaisuuksia, vaan myös täysin uusia ominaisuuksia. Merkittävin on, että kalvoilla on sisäinen luontainen potentiaali. Täten sillä voi tehdä joitakin toimintoja ilman ulkoista virtaa tai kenttää.

Nykyisin ferrosähköisiä materiaaleja käytetään muisteissa, jolloin ne tukeutuvat materiaalin spontaaniin polarisaatioon. Kuitenkin bitin luku vaatii polariteetin vaihtoa eli joka kerta, kun bitti luetaan, se täytyy kirjoittaa uudelleen referenssibittiin verraten.

Jos materiaalilla olisi sisäinen sähköinen potentiaali, voitaisiin tehdä bittejä, joiden polariteettia ei tarvitse vaihtaa luettaessa, joten tietokoneen muistikomponentit voisivat olla pienempiä, nopeampia ja pitkäkestoisempia.

Kerroksellisuus toimii

Purduen yliopiston on tutkittu puolijohteiden teknologiaa, joka perustuu kaksiulotteisiin nanokiteisiin mutta jotka on asetettu kerroksittaiseksi rakenteeksi, joilla voisi korvata nykypäivän transistorit.

Nanokiteiksi kutsutaan kaksiulotteisia rakenteita koska materiaali voi esiintyä äärimmäisen ohuiden levyjen muodossa, joiden paksuus tässä tapauksessa on 0,7 nanometriä eli noin kolme tai neljä atomia.

Tutkijoiden koostama kerroksellinen rakenne valmistettiin molybdeenidisulfidista. Heidän rakenteensa toimii parhaiten, kun levyjä on noin 15 kerrosta, jolloin kokonaispaksuus on 8-12 nanometriä.

Vaikka molybdeenidisulfidi on lupaava aines, tutkijat eivät usko, että pii voidaan korvata yhdellä materiaalilla, vaan tulevaisuudessa luultavasti eri materiaaleja tulee olemaan rinnakkain hybridinä teknologiana.

Kerrosrakenteiden kuvauksia

Myös Arkansasin yliopistossa tutkitaan seuraavan sukupolven nanolaitteita, joissa piirit muodostuvat useasta kerroksesta erilaisia materiaaleja, kuten ferromagneettisista ja suprajohtavista oksideista.

Kuitenkin kun kerrokset tulevat ohuemmiksi, materiaalit alkavat käyttäytyä oudosti ja usein epäluotettavasti. Tällöin kriittiseksi kysymykseksi nousee rajapinnan koko, jossa kaksi materiaalia vaikuttavat toisiinsa, toteaa fysiikan professori Jak Chakhalian yliopistonsa tiedotteessa.

Arkansin tutkijat ovatkin löytäneet tavan katsoa sisälle kerroksittaiseen kompleksiseen nanomateriaaliin rakennetta rikkomatta. Menettely mahdollistaa suoran näkymän elektronien ja atomien fysikaaliseen ja kemialliseen käyttäytymiseen erilaisten materiaalien raja-alueilla.

Kehitetty kuvausmenettely tuotti tutkijoille tärkeää tietoa: Eivät vain välittömät atomikerrokset vaikuta toisiinsa vaan niillä on vahva vaikutus toisiinsa yhden-kahden nanometrin ulottuvuudella.

Ensimmäistä kertaa tutkijat ovat osoittaneet, miten elektronit ja ionit vuorovaikuttavat atomitasolla näissä monimutkaisissa kerrosrakenteissa ja se ei ollut sitä mitä monet aiheesta odottivat, todetaan yliopiston tiedotteessa.

Energian varastointia kaksiulotteisesti 

Drexelin yliopistossa kaksiulotteisen materiaaliperheen ominaisuuksia tutkittaessa havaittiin, että niiden avulla on mahdollista varastoida suuria määriä energiaa.

Useita vuosia sitten yliopiston professorit löysivät atomisen ohuen, kaksiulotteisen materiaalin jolla on hyvä sähkönjohtavuus ja hydrofiilinen pinta eli se pystyy pidättelemään nesteitä.

Vuonna 2013 he onnistuivat selvittämään miten materiaali hyödyntää ioneja ja molekyylejä näiden kerrosten välisessä prosessissa.

Esimerkiksi litium-ionien sijoittaminen levyjen väliin tekee niistä hyviä ehdokkaita litium-ioni-akkujen anodikäyttöön. Myös magnesiumin ja alumiinin ionien sijoittaminen levyjen väliin voi tasoittaa tietä uudenlaisille metalli-ioni-akuille.

Kaksiulotteista tinaa?

Elektroniikkamiehille tutulle tinalle uumoillaan uutta roolia mikro- ja nanoelektroniikan parissa.

Yksi kerros tina-atomeja voisi olla jopa maailman ensimmäinen materiaali, joka johtaa sähköä sadan prosentin hyötysuhteella lämpötiloissa, joissa mikropiirit toimivat.

Tällaiseen arvioon ovat päätyneet Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) SLAC National Accelerator Laboratoryssa ja Stanfordin yliopistossa toimineet teoreettiset fyysikot.

Tutkijat kutsuvat uutta materiaalihypoteesia grafeenista ja tinan latinalaisesta nimestä (stannum) johdatellen staneeniksi (stanene).

- Staneeni voisi lisätä tulevaisuuden mikrosirujen nopeutta ja pienentää tehonkäyttöä, jos meidän ennuste tukee kokeilta, joita on käynnistetty useissa laboratorioissa ympäri maailmaa, toteaa professori Shoucheng Zhang tutkimuslaitoksensa tiedotteessa marraskuussa 2013.

Kyseessä olisi eräs topologisen eristeen versio, joka johtaa sähköä vain pinnoillaan mutta ei sisäosissaan. Kun topologinen eriste on yhden atomin paksuinen, sen reunat johtavat sähköä sataprosenttisella hyötysuhteella.

Helmikuu 2014