Layer-by-layer growth of highly aligned MoS$_2$ nanoribbon arrays

Nella incessante corsa per rendere i dispositivi elettronici sempre più piccoli e veloci, gli ingegneri sono giunti a un punto in cui i tradizionali transistor al silicio stanno diventando troppo sottili per essere controllati efficacemente. Per risolvere questo problema, gli scienziati si stanno rivolgendo a una nuova classe di materiali noti come dicalcogenuri di metalli di transizione. Immaginateli come fogli di atomi così sottili da essere essenzialmente bidimensionali, pur possedendo la capacità di condurre elettricità in modi in cui il silicio non può fare. Sebbene i fogli piatti di questi materiali siano utili, la strada più promettente per i futuri transistor ultra-piccoli prevede la loro modellazione in lunghe e strette strisce chiamate nanonastri. Queste strutture monodimensionali agiscono come minuscoli ed efficienti canali per la corrente elettrica, offrendo un miglior controllo sul flusso di elettroni. Tuttavia, un ostacolo significativo è rimasto: mentre i ricercatori riuscivano facilmente a far crescere queste strisce come uno strato singolo di atomi, avevano difficoltà ad aggiungere altri strati sopra in modo controllato. L'aggiunta di strati è cruciale perché le strisce più spesse spesso conducono l'elettricità molto meglio, ma i metodi precedenti o non riuscivano ad aggiungere strati o creavano strutture disordinate e irregolari che rovinavano le prestazioni del dispositivo.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato un modo per costruire questi nanonastri strato dopo strato, come impilare fogli di carta, con un controllo preciso su quanti strati vengono aggiunti. Hanno fatto crescere strisce di disolfuro di molibdeno, un tipo specifico di questi materiali sottili un atomo, su una superficie di zaffiro. Il processo è iniziato facendo crescere uno strato singolo di nanonastri, perfettamente allineato. Una volta stabilita questa base, i ricercatori hanno cambiato le condizioni all'interno del loro forno di crescita, specificamente aumentando l'apporto del precursore di molibdeno. Questa regolazione ha innescato un cambiamento di comportamento: invece di diffondersi lateralmente per coprire una maggiore superficie, il materiale ha iniziato a impilarsi verticalmente, aggiungendo un secondo strato direttamente sopra il primo. Regolando attentamente la temperatura e la quantità di materiale fornito, gli scienziati potevano interrompere il processo a due strati, o continuare per creare strisce con tre o persino quattro strati. Fondamentalmente, questa crescita verticale è avvenuta senza allargare le strisce, mantenendole abbastanza strette da essere utili per minuscoli transistor.

I ricercatori hanno confermato che queste nuove strisce più spesse non erano solo pile casuali di atomi, ma strutture altamente ordinate, monocristalline. Hanno scoperto che gli strati si impilavano in un modello specifico e ripetitivo noto come configurazione 2H, che è ideale per i dispositivi elettronici. Questa struttura è così uniforme che le strisce sono rimaste prive dei confini interni e dei difetti che spesso affliggono i materiali cresciuti con altri metodi. Per provare la qualità del loro lavoro, il team ha costruito minuscoli interruttori elettronici, o transistor, utilizzando questi nanonastri. Hanno confrontato i dispositivi realizzati con strisce a strato singolo rispetto a quelli realizzati con strisce a doppio strato. I risultati sono stati chiari: le strisce a doppio strato permettevano all'elettricità di fluire molto più facilmente. I dispositivi realizzati con le strisce a due strati spostavano gli elettroni a velocità circa due volte superiori rispetto alle versioni a strato singolo e trasportavano tre volte più corrente. Questo miglioramento suggerisce che il controllo dello spessore di questi nanonastri è la chiave per sbloccare il pieno potenziale della prossima generazione di elettronica.

Lo studio ha anche dimostrato che questo metodo è abbastanza versatile da creare strutture più complesse. Scambiando i materiali utilizzati nel secondo passaggio del processo, il team è stato in grado di far crescere un materiale diverso, il disolfuro di tungsteno, direttamente sopra le strisce di disolfuro di molibdeno. Ciò ha creato una pila verticale di due materiali diversi, nota come eterostruttura, che è un elemento fondamentale per componenti elettronici avanzati. La capacità di cambiare materiali a metà della crescita senza rompere l'allineamento delle strisce apre la porta alla creazione di una vasta gamma di strati elettronici progettati su misura. I ricercatori hanno ottenuto questo sfruttando l'interazione unica tra i nanonastri e la superficie di zaffiro. A differenza di altre superfici dove un nuovo strato potrebbe formarsi solo dopo che l'intera superficie è stata coperta, la superficie di zaffiro ha permesso ai nuovi strati di formarsi esclusivamente sopra le strisce esistenti. Questa crescita selettiva è stata confermata attraverso simulazioni al computer dettagliate, che hanno mostrato come gli atomi preferiscano attaccarsi al nastro esistente piuttosto che alla superficie di zaffiro vuota una volta presente lo strato primo.

Il successo di questo approccio dipende da un delicato equilibrio di tempo e temperatura. I ricercatori hanno scoperto che il semplice fatto di far crescere il materiale per un tempo più lungo non aggiungeva automaticamente più strati; al contrario, la chiave era aumentare il calore del precursore per spingere più atomi nella reazione. A temperature più basse, le strisce rimanevano a strato singolo indipendentemente da quanto a lungo venissero coltivate. Man mano che la temperatura saliva, le strisce iniziavano ad accumularsi, formando prima un secondo strato completo e poi, con temperature ancora più alte e tempi più lunghi, aggiungendo un terzo e un quarto strato. Durante tutto questo processo, la larghezza delle strisce è rimasta notevolmente costante, rimanendo al di sotto dei 20 nanometri in molti casi. Questa precisione è vitale perché le prestazioni di questi minuscoli transistor dipendono fortemente dalla loro larghezza. Il fatto che i ricercatori potessero controllare lo spessore senza sacrificare la stretta larghezza delle strisce rappresenta un passo avanti significativo nella produzione di elettronica di alta qualità, sottile un atomo.

Dimostrando che è possibile far crescere queste strutture multistrato complesse con tale precisione, i ricercatori hanno fornito un metodo generale per creare transistor migliori. I dispositivi che hanno costruito hanno mostrato metriche di prestazione che eguagliano o superano i migliori risultati riportati finora per materiali simili, nonostante i canali nei loro dispositivi fossero estremamente stretti. Ciò suggerisce che la combinazione di un processo di crescita "bottom-up" pulito e la capacità di controllare il numero di strati è una strategia potente per il futuro design dei chip. Il lavoro evidenzia che lo spessore del canale non è solo un dettaglio minore, ma un parametro fondamentale che può essere regolato per ottimizzare il funzionamento di un transistor. Mentre l'industria si muove verso componenti elettronici sempre più piccoli ed efficienti, la capacità di impilare questi strati atomici con tale controllo offre una via chiara e pratica, andando oltre i limiti dei materiali a strato singolo verso una nuova era di elettronica tridimensionale, ma ancora sottile un atomo.