Los materiales atómicamente delgados como el grafeno son moléculas individuales en las que todos los enlaces químicos están orientados de modo que la molécula resultante forma una lámina. Estos a menudo tienen propiedades electrónicas distintivas que potencialmente pueden permitir la producción de productos electrónicos con características increíblemente pequeñas de solo un par de átomos de espesor. Y ha habido una serie de ejemplos de hardware funcional construido a partir de estos materiales bidimensionales.
Pero casi todos los ejemplos hasta ahora han utilizado una construcción a medida, a veces involucrando a investigadores que manipulan a mano escamas individuales de material. Así que no estamos en el punto en que podamos fabricar en masa componentes electrónicos complicados con estos materiales. Pero un artículo publicado hoy describe un método para producir transistores a escala de oblea basados en materiales bidimensionales. Y los transistores resultantes funcionan de manera más consistente que los fabricados con enfoques de fabricación más tradicionales.
Mejor fabricación
La mayoría de los esfuerzos realizados para facilitar la producción de productos electrónicos basados en materiales atómicamente delgados han implicado la integración de estos materiales en las técnicas tradicionales de fabricación de semiconductores. Eso tiene sentido porque estas técnicas nos permiten realizar manipulaciones de materiales a una escala increíblemente fina en grandes volúmenes. Por lo general, esto ha significado que gran parte del cableado de metal necesario para la electrónica se realiza mediante la fabricación tradicional. Luego, el material 2D se coloca en capas sobre el metal y se realiza un procesamiento adicional para formar transistores funcionales.
A menudo, ese «procesamiento adicional» implica colocar capas de metal sobre el material 2D. Este método, argumentan los investigadores detrás del trabajo, probablemente no sea la mejor manera de hacer las cosas. Depositar el metal puede dañar el material 2D y algunos átomos de metal individuales pueden potencialmente difundirse en el material 2D, creando pequeños cortocircuitos dentro de la característica más grande. Todo eso degrada el rendimiento de cualquier circuito construido usando la técnica.
Entonces, el equipo descubrió una manera de formar todas las partes individuales del circuito por separado y las unió en condiciones suaves. La parte más simple fue formar las puertas de los transistores, que simplemente se modelaron sobre un sustrato sólido y luego se recubrieron con óxido de aluminio.
Por separado, el equipo formó una lámina uniforme de un material atómicamente delgado (disulfuro de molibdeno) sobre una superficie de dióxido de silicio mediante deposición química de vapor. Luego, esa hoja se levantó y se transfirió sobre el óxido de aluminio, lo que resultó en una capa atómicamente delgada de semiconductor que se asienta sobre la puerta. Para formar un transistor, a los investigadores solo les faltaban los electrodos fuente y drenaje.
Esos se hicieron completamente por separado formando todo el cableado sobre una superficie sólida. Luego, el cableado se incrustó en un polímero y se despegó todo de la superficie, creando una lámina de polímero con los cables incrustados en su superficie inferior. Por sí solo, este polímero es lo suficientemente flexible como para estirarse o distorsionarse y, por lo tanto, el cableado no se alinearía con las puertas, como se necesita para formar circuitos funcionales. Para limitar estas distorsiones, los investigadores vincularon el polímero a una lámina de cuarzo antes de estamparlo sobre la oblea cubierta con electrodos de compuerta. Esto depositó el cableado directamente sobre el disulfuro de molibdeno, completando la formación de transistores funcionales.
Una vez que todo estuvo en su lugar, el polímero se pudo eliminar en condiciones suaves y cualquier exceso de material se pudo cortar mediante grabado con plasma. El resultado fue una colección de transistores donde la conexión del semiconductor a la fuente y los electrodos de drenaje simplemente se formaron al colocar físicamente los materiales uno al lado del otro. Esto limita la posibilidad de daño al material semiconductor atómicamente delgado.
Mejor interpretación
Si bien todo el procesamiento necesario aquí es mucho más suave que la fabricación típica de semiconductores, esa fabricación simplifica las cosas al formar todas las características donde finalmente se necesitan. Para que este enfoque funcione, los electrodos de fuente y drenaje se fabrican por separado de la compuerta y deben colocarse en su lugar después. Para circuitos con características pequeñas, eso requiere una alineación increíblemente precisa.
Eso… no siempre funcionó. Hubo una serie de casos en los que toda la colección de electrodos terminó desalineada, generalmente debido a un ligero giro cuando se colocaron en su lugar. Esto es algo que potencialmente se puede mejorar, pero es probable que siga siendo un desafío.
La buena noticia es que cuando funcionó, funcionó muy bien; los dispositivos funcionaron de manera mucho más consistente que los producidos usando técnicas más típicas. Y según la mayoría de las medidas, se desempeñaron significativamente mejor. El voltaje en los estados encendido y apagado difería en nueve órdenes de magnitud. La fuga en el estado apagado también fue muy baja.
En términos más generales, el enfoque funcionó. Los investigadores pudieron construir circuitos funcionales en la totalidad de una oblea de 2 pulgadas, incluidas unidades de medio sumador, un componente esencial del hardware computacional. Entonces, aunque esto claramente todavía está en la fase de demostración, la demostración es de hardware que potencialmente podría usarse.
Eso no significa que el disulfuro de molibdeno esté en la vía rápida para reemplazar al silicio. Décadas de experiencia han hecho posible hacer cosas increíblemente sofisticadas con circuitos de silicio. Pero sí significa que la gente está empezando a desarrollar los conjuntos de herramientas que algún día podrían hacer que los materiales 2D sean un competidor viable del silicio.
nanotecnología de la naturaleza, 2023. DOI: 10.1038/s41565-023-01342-1