Printatut hyppykivet rikkovat 2D-kontaktien rajoitukset

Kiinalainen tutkimusryhmä on onnistuneesti poistanut piisirun jälkeisen laskennan ensisijaisen esteen luomalla huoneenlämmössä tapahtuvan tulostusprosessin, jolla on luotu ennätyksellisen ohut elektroninen yhteys atomien ohuille materiaaleille.

Asettamalla 3,6 nanometrin paksuisen galliumoksidista GaOx koostuvan "kuoren" metallilankojen ja puolijohdelevyn väliin tutkijat saavuttivat 296 cm2/Vs:n elektronien liikkuvuuden – korkeimman koskaan mitatun tämän tyyppiselle materiaalille.

Tämä International Journal of Extreme Manufacturing -lehdessä julkaistu läpimurto vähentää merkittävästi sähkön siirtämiseen piirirakenteen läpi tarvittavaa energiaa ja saavuttaa lähes nollan sähköisen esteen, vain 3,7 meV.

Koska tässä menetelmässä käytetään nestemäisen metallin tulostusta korkean lämpötilan teollisuusuunien sijaan, se tarjoaa myös tehdasvalmiin polun elektroniikan massatuotantoon, joka on nopeampaa, viileämpää ja energiatehokkaampaa kuin mikään tällä hetkellä markkinoilla oleva.

Kaksiulotteisiin (2D) materiaaleihin siirryttäessä niiden liittäminen perinteisiin metallielektrodeihin on kuitenkin monialainen painajainen. Kun metalli koskettaa näitä 2D-levyjä, se usein luo Schottky-esteen, joka kuristaa sähkövirtaa ja tuottaa hukkalämpöä.

Aiemmat korjausyritykset sisälsivät erittäin ohuiden eristeiden lisäämisen puskureiksi, mutta näiden materiaalien piti olla alle nanometrin paksuisia toimiakseen. Tuossa mikroskooppisessa mittakaavassa jopa pieni virhe valmistusprosessissa voi aiheuttaa koko rakenteen vikaantumisen.

Professori Shenghuang Lin ja hänen työtoverinsa Songshan-järven materiaalilaboratoriossa ja Wuhanin teknillisessä yliopistossa ratkaisivat tämän omaksumalla pritattujen kalvojensa "virheet". Heidän 3,6 nanometrin galliumoksidikerros on riittävän paksu ollakseen kestävä, mutta pysyy sähköisesti "läpinäkyvänä" sen suuren happivakanssien - atomihilan pienten mikroskooppisten aukkojen - pitoisuuden ansiosta.

Tyypillisessä sähkökytkennässä elektronit ovat kuin matkailijoita, jotka kohtaavat mahdottoman loikan leveän kanjonin yli. Tässä uudessa GaOx -kerroksessa happivakanssit toimivat molekyylitason askelkivinä. Elektronit käyttävät "hybriditunnelointimekanismia" hyppien yhdestä vakanssista toiseen ylittääkseen rajapinnan lähes ilman vastusta.

Tämän "hyppelymekanismin" käytännön tulokset näkyvät laitteiden vertailuarvoissa. Kontaktiresistanssiksi mitattiin 2,38 kΩ·μm, mikä on kaksi kertaluokkaa pienempi kuin perinteisissä puskuroiduissa kontakteissa.

Siirtymällä pois menneisyyden korkean lämpötilan ja kustannusten vaativasta valmistuksesta insinöörit seisovat nyt uuden aikakauden kynnyksellä, jossa teknologiamme raja ei ole enää se, kuinka pieniä voimme rakentaa, vaan se, kuinka nopeasti voimme tulostaa atomien väliset yhteydet.

Aiheesta aiemmin:

Parempi kontakti metalli-perovskiitti rajapintaan

Paremmat kontaktit 2D-transistoreille