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

In de onvermoeibare drang om elektronische apparaten kleiner en sneller te maken, hebben ingenieurs een punt bereikt waarop traditionele siliciumtransistoren te dun worden om effectief te beheersen. Om dit op te lossen, wenden wetenschappers zich tot een nieuwe klasse materialen die bekend staan als overgangstmetaaldichalcogeniden. Stel je deze voor als vellen atomen die zo dun zijn dat ze in essentie twee-dimensionaal zijn, maar toch het vermogen bezitten om elektriciteit te geleiden op manieren die silicium niet kan. Hoewel platte vellen van deze materialen nuttig zijn, houdt de meest veelbelovende weg voor toekomstige ultra-kleine transistoren in dat ze worden gevormd tot lange, smalle stroken die nanoribbons worden genoemd. Deze één-dimensionale structuren fungeren als piepkleine, efficiënte kanalen voor elektrische stroom, wat zorgt voor een betere controle over de stroom van elektronen. Er is echter een aanzienlijke hindernis gebleven: terwijl onderzoekers deze stroken gemakkelijk konden laten groeien als een enkele laag atomen, hadden zij moeite om op een gecontroleerde manier meer lagen erop te stapelen. Het toevoegen van lagen is cruciaal omdat dikkere stroken vaak veel beter elektriciteit geleiden, maar eerdere methoden slaagden er ofwel niet in om lagen toe te voegen, of creëerden rommelige, ongelijkmatige structuren die de prestaties van het apparaat ruïneerden.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gedemonstreerd om deze nanoribbons laag voor laag op te bouwen, zoals het stapelen van vellen papier, met nauwkeurige controle over hoeveel lagen worden toegevoegd. Ze kweekten stroken molybdeendisulfide, een specif kind van deze atoomdunne materialen, op een oppervlak van saffier. Het proces begon met het kweken van een enkele, perfect uitgelijnde laag nanoribbons. Zodra dit fundament was gelegd, veranderden de onderzoekers de omstandigheden in hun groeioven, specifiek door de aanvoer van de molybdeengasprecursor te vergroten. Deze aanpassing veroorzaakte een verschuiving in het gedrag: in plaats van dat het materiaal zich zijdelings verspreidde om meer van het oppervlak te bedekken, begon het verticaal te stapelen, waarbij een tweede laag direct bovenop de eerste werd toegevoegd. Door de temperatuur en de hoeveelheid aangeleverd materiaal zorgvuldig af te stemmen, konden de wetenschappers het proces stoppen bij twee lagen, of het voortzetten om stroken met drie of zelfs vier lagen te creëren. Cruciaal was dat deze verticale groei plaatsvond zonder de breedte van de stroken te vergroten, waardoor ze smal genoeg bleven om bruikbaar te zijn voor piepkleine transistoren.

De onderzoekers bevestigden dat deze nieuwe, dikkere stroken niet slechts willekeurige hopen atomen waren, maar hooggeordende, enkelkristallijne structuren. Ze vonden dat de lagen stapelden in een specif kind, herhalend patroon dat bekend staat als de 2H-configuratie, wat ideaal is voor elektronische apparaten. Deze structuur is zo uniform dat de stroken vrij bleven van de interne grenzen en defecten die materialen die op andere manieren zijn gegroeid vaak teisteren. Om de kwaliteit van hun werk te bewijzen, bouwden het team piepkleine elektronische schakelaars, of transistoren, gebruikmakend van deze nanoribbons. Ze vergeleken apparaten gemaakt van enkelvoudige stroken met apparaten gemaakt van dubbele stroken. De resultaten waren duidelijk: de dubbele stroken lieten elektriciteit veel gemakkelijker doorstromen. De apparaten gemaakt van de tweekleurige stroken verplaatsten elektronen ongeveer twee keer zo snel als de enkelvoudige versies en droegen drie keer zoveel stroom. Deze verbetering suggereert dat het controleren van de dikte van deze nanoribbons een sleutel is tot het ontsluiten van het volled potentieel van de volgende generatie elektronica.

De studie toonde ook aan dat deze methode veelzijdig genoeg is om complexere structuren te creëren. Door de materialen die in de tweede stap van het proces worden gebruikt te wisselen, was het team in staat om een ander materiaal, wolfraamdisulfide, direct bovenop de molybdeendisulfide-stroken te laten groeien. Dit creëerde een verticale stapel van twee verschillende materialen, een heterostructuur genoemd, wat een bouwsteen is voor geavanceerde elektronische componenten. Het vermogen om tijdens de groei van materiaal te wisselen zonder de uitlijning van de stroken te verbreken, opent de deur naar het creëren van een grote verscheidenheid aan op maat gemaakte elektronische lagen. De onderzoekers bereikten dit door gebruik te maken van de unieke interactie tussen de nanoribbons en het saffieroppervlak. In tegen tegenovergestelde gevallen waarbij een nieuwe laag pas zou ontstaan nadat het hele oppervlak bedekt is, liet het saffieroppervlak de nieuwe lagen uitsluitend op de bestaande stroken vormen. Deze selectieve groei werd bevestigd door gedetailleerde computersimulaties, die lieten zien dat de atomen de voorkeur geven aan het plakken aan de bestaande ribbon in plaats van aan het lege saffieroppervlak zodra de eerste laag aanwezig is.

Het succes van deze aanpak berust op een delicaat evenwicht van tijd en temperatuur. De onderzoekers ontdekten dat het simpelweg langer laten groeien van het materiaal niet automatisch meer lagen toevoegde; in plaats daarvan was de sleutel het verhogen van de hitte van de precursor om meer atomen in de reactie te drijven. Bij lagere temperaturen bleven de stroken enkelvoudig, ongeacht hoe lang ze werden gegroeid. Naarmate de temperatuur steeg, begonnen de stroken te stapelen, eerst vormden ze een volledige tweede laag, en vervolgens, met nog hogere temperaturen en langere tijden, voegden ze een derde en vierde laag toe. Gedurende dit hele proces bleef de breedte van de stroken opmerkelijk consistent en bleef deze in veel gevallen onder de 20 nanometer. Deze precisie is essentieel omdat de prestaties van deze piepkleine transistoren sterk afhangen van hun breedte. Het feit dat de onderzoekers de dikte konden controleren zonder de smalle breedte van de stroken op te offeren, vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in de productie van hoogwaardige, atoomdunne elektronica.

Door aan te tonen dat het mogelijk is om deze complexe, meerlagige structuren met dergelijke precisie te laten groeien, hebben de onderzoekers een algemene methode geboden voor het creëren van betere transistoren. De apparaten die zij bouwden, vertoonden prestatiecijfers die die van de beste gerapporteerde resultaten voor soortgelijke materialen evenaren of overtreffen, zelfs toen de kanalen in hun apparaten extreem smal waren. Dit suggereert dat de combinatie van een schoon, bottom-up groeiproces en het vermogen om het aantal lagen te controleren een krachtige strategie is voor toekomstig chipontwerp. Het werk benadrukt dat de dikte van het kanaal niet slechts een klein detail is, maar een fundamentele parameter die kan worden afgestemd om de werking van een transistor te optimaliseren. Terwijl de industrie beweegt naar nog kleinere en efficiëntere elektronische componenten, biedt het vermogen om deze atomaire lagen met dergelijke controle te stapelen een duidelijk en praktisch pad voorwaarts, bewegend voorbij de beperkingen van enkelvoudige lagen naar een nieuw tijdperk van driedimensionale, maar atoomdunne elektronica.