Keinoja ja visioita 2D-materiaalien käytölle

Kuva uuden päällystemateriaalin molekyylirakenteesta. Pinnoitettava ohut kerrosmateriaali on violetti pohjalla ja ympäröivä ilma on esitetty hapen ja veden hajallisina molekyyleinä yläosassa. Välin tumma kerros on suojamateriaali, joka läpäisee happea (punaiset), muodostaen oksidikerroksen sen alle tarjoamaan lisäsuojaa.

Erilaisia kaksiulotteisia materiaalien käyttöönottoa on haitannut se, että ne hajoavat nopeasti joutuessaan kosketuksiin hapen ja vesihöyryn kanssa.

Tähän mennessä kehitetyt suojapinnoitteet ovat osoittautuneet kalliiksi tai myrkyllisiksi eikä niitä voida tarvittaessa poistaa. Nyt kansainvälinen tutkijaryhmä on kehittänyt erittäin ohuen pinnoitteen, joka on edullinen, helppo levittää ja voidaan poistaa tarvittaessa.

Kaksiulotteisten materiaalien tutkimus on erittäin aktiivinen kenttä, toteaa MIT:n professori Ju Li. Niillä on epätavallisten elektronisten ja optisten ominaisuuksiensa vuoksi lupaavia sovelluksia, kuten erittäin herkät valonilmaisimet.

Mutta monet näistä kaksiulotteisista, erityisesti musta fosfori ja siirtymämetallidikalkogenien (TMD) materiaaliluokka syöpyvät nopeastikin, kun ne altistuvat kostealle ilmalle tai erilaisille kemikaaleille.

Yksi syy piin menestykseen on sen pintaan luonnollisesti muodostuva piidioksidin suojakerros. Mutta vastaava on vaikeampi toteuttaa atomisesti ohuilla materiaaleilla, joiden kokonaispaksuus voi olla jopa pienempi kuin piidioksidinen suojakerros.

Uusi pinnoite perustuu lineaarisiin alkyyliamiini yhdisteisiin. Se voidaan levittää yhden nanometrin paksuisena ja materiaalin lisälämmitys korjaa pieniä halkeamia. Pinnoite on läpäisemätön monille nesteille ja liuottimille ja estää myös merkittävästi hapen tunkeutumista

Uuden pinnoitteen molekyylikäyttäytymisen teoreettisen mallinnuksen lisäksi ryhmä valmisti toimivan valotunnistimen uudella pinnoitteella suojattujen TMD-materiaalin hiutaleista konseptin todisteeksi.

Tällaisten päällysteiden käyttö voisi avata uusia tutkimusalueita lupaavista 2D-materiaaleista, mukaan lukien TMD:t ja musta fosfori, mutta mahdollisesti myös silileeni, staniini ja muut vastaavat materiaalit.

Kaksiulotteiset materiaalit nähdään myös keinona tehostaa ja jatkaa nykyisen piiteknologian käyttöä.

Institute of Photonic Sciences (ICFO) tutkijat ja yhteistyökumppanit sekä IMEC:n ja TSMC:n asiantuntijat julkaisivat syyskuussa Nature-lehdessä katsauksen grafeenin ja 2D-materiaalien nykyisestä tilasta, haasteista ja mahdollisuuksista integroida sitä piitekniikkaan.

Katsauksessaan tutkijat esittävät käsityksensä siitä, kuinka ja miksi kaksiulotteiset materiaalit voisivat ylittää nykyisen tekniikan nykyiset haasteet ja kuinka ne voivat parantaa sekä laitekomponenttien toimintoja että suorituskykyä tulevaisuuden tekniikoiden ominaisuuksien parantamiseksi.

Laskennallisille järjestelmille ja etenkin transistorien alalla he osoittavat, kuinka esimerkiksi seostuksen, kontaktiresistanssin ja eristys/kapseloinnin haasteita voidaan vähentää integroitaessa 2D-materiaalit piitekniikkaan.

Kaksiulotteiset voisivat myös radikaalisti parantaa muistia ja datantallennuslaitteita uusilla kytkentämekanismeilla meta-eriste-metalli -rakenteilla, välttää vuotovirrat muistiryhmissä tai jopa edistää kuparilangoitetun piirien suorituskykyä kiinnittämällä grafeenia ultraohuiksi kuparin suojamateriaaliksi ja siten vähentää resistanssia, sirontaa ja itselämpenemistä.

Aiheesta aiemmin:

Hiiliseostus muuttaa puolijohtavaa 2D-materiaalia

Uusia yllätyksiä kaksiulotteisista

Hybridi kaksiulotteinen

Galliumi liittyy uusien 2-D-materiaalien listaan