Der Grosse

Feature vom 6. März 2023

Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

faktengeprüft

peer-reviewte Veröffentlichung

vertrauenswürdige Quelle

Korrekturlesen

von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Forscher der Universität Kyushu, des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) und der Universität Osaka in Japan haben kürzlich eine neue Strategie zur Synthese von mehrschichtigem hexagonalem Bornitrid (hBN) vorgestellt, einem Material, das zur Integration verschiedener 2D-Systeme verwendet werden könnte Materialien in elektronischen Geräten unter Beibehaltung ihrer einzigartigen Eigenschaften. Ihr vorgeschlagener Ansatz, der in einem in Nature Electronics veröffentlichten Artikel dargelegt wird, könnte die Herstellung neuer leistungsstarker Geräte auf Graphenbasis erleichtern.

„Der atomar flache 2D-Isolator hBN ist ein Schlüsselmaterial für die Integration von 2D-Materialien in elektronische Geräte“, sagte Hiroki Ago, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Tech Xplore. „Zum Beispiel wird die höchste Trägermobilität in einschichtigem Graphen nur dann erreicht, wenn es von mehrschichtigem hBN umgeben ist. Die in verdrilltem zweischichtigem Graphen beobachtete Supraleitung erfordert auch mehrschichtiges hBN, um es von der Umgebung zu isolieren.“

Zusätzlich zu seinem Wert für die Herstellung graphenbasierter Geräte kann hBN auch zur Integration von Übergangsmetalldichalkogeniden (TMDs) in Geräte verwendet werden, wodurch eine starke Photolumineszenz und eine hohe Ladungsträgermobilität erreicht werden. Es kann auch für die Durchführung von Studien mit Schwerpunkt auf der Moiré-Physik nützlich sein.

Trotz seiner vielfältigen Einsatzmöglichkeiten erwies sich die Synthese von hochwertigem hBN bisher als eine Herausforderung, insbesondere im Vergleich zur Synthese anderer 2D-Materialien. Das mit bestehenden Methoden hergestellte hBN ist im Allgemeinen zu dünn oder nicht homogen.

„Obwohl mit der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) vielversprechende Ergebnisse erzielt wurden, ist sie nur auf Monoschicht-hBN beschränkt, aber Monoschicht-hBN ist nicht dick genug, um die Umwelteinflüsse auszublenden“, sagte Ago. „Daher ist die Kontrolle der Dicke von hBN aufgrund komplexer Wechselwirkungen zwischen den B- und N-Spezies und dem katalytischen Substrat immer noch eine Herausforderung.“

Das Hauptziel der aktuellen Studie von Ago und seinen Kollegen bestand darin, eine Strategie zur Herstellung von hBN mit gleichmäßiger Dicke in verschiedenen Maßstäben zu ermitteln, die den Anforderungen verschiedener Geräte gerecht wird. Das Team wollte außerdem die erfolgreiche Integration des synthetisierten hBN mit Graphen ermöglichen und so zuverlässige und leistungsstarke Geräte im Wafer-Maßstab erhalten.

Die von ihnen entwickelte Strategie basiert auf CVD, einem chemischen Prozess, der üblicherweise zum Züchten von hBN und anderen 2D-Materialien verwendet wird. Obwohl dieser Prozess in früheren Arbeiten angewendet wurde, führte er nicht immer zu homogenem und qualitativ hochwertigem hBN.

„Bei diesem Prozess wird ein Metallsubstrat (in unserem Fall eine polykristalline Fe-Ni-Folie) einem Gas ausgesetzt, das die Vorläufer des hBN (B und N) enthält, die bei hohen Temperaturen chemische Reaktionen eingehen, um hBN-Schichten auf der Oberfläche zu erzeugen Fe-Ni“, erklärte Ago. „Durch die Abstimmung der relativen Menge an Fe und Ni kann eine gleichmäßige Segregation von hBN erreicht werden. Neben dem CVD-Wachstum ist auch die Übertragung vom Metallkatalysator sehr wichtig, da sie die physikalischen Eigenschaften stark beeinflusst.“

Um das von ihnen gewachsene hBN auf Graphen zu übertragen, verwendeten Ago und seine Kollegen eine Materialübertragungstechnik, die als elektrochemische Delaminierung bekannt ist, und nutzten dabei die an der Grenzfläche der Fe-Ni- und der hBN-Schicht gebildeten H2-Blasen. Obwohl bekannt ist, dass dieser Prozess sauberer und effizienter ist als andere Materialtransfermethoden, stellten sie fest, dass die Grenzfläche zwischen hBN und der Graphenschicht nicht so sauber war, wie sie es sich gewünscht hätten, und daher keine einheitlichen Graphenbauelemente im Wafermaßstab produzieren würden.

„Um dieses Problem anzugehen, haben wir systematisch die Auswirkungen verschiedener Reinigungs- und Behandlungsprozesse auf das übertragene hBN und auf das anschließende Graphen untersucht“, sagte Ago. „Wir haben herausgefunden, dass das sequentielle Tempern in einer H2-Umgebung bei hohen Temperaturen relativ saubere Grenzflächen zwischen dem hBN und dem Graphen gewährleistet.“

Mithilfe ihres vorgeschlagenen hBN-Synthese- und Transferansatzes konnten die Forscher leistungsstarke Geräte herstellen, bei denen Graphen in hBN eingekapselt war. Es wurde festgestellt, dass diese Geräte andere Geräte übertreffen, bei denen Graphen direkt auf einer SiO2-Schicht platziert wurde.

„Diese Leistungsverbesserung, die zuvor bei Geräten beobachtet wurde, die sorgfältig an bestimmten sauberen und homogenen Stellen strukturiert wurden, wurde hier zum ersten Mal für Geräte beobachtet, die im Wafer-Maßstab unter Verwendung von Verfahren hergestellt wurden, die mit Massenproduktionstechniken kompatibel sind“, sagte Ago. „Wir haben die erfolgreiche Synthese von hochwertigem hBN im großen Maßstab unter Verwendung relativ kostengünstiger Fe-Ni-Folien demonstriert und skalierbare Transferprozesse entwickelt, die die Herstellung von Graphengeräten mit verbesserter Leistung im Wafermaßstab ermöglichten.“

Diese aktuelle Studie von Ago und seinen Kollegen zeigt das Potenzial von CVD-gewachsenen 2D-Materialien für die Massenproduktion leistungsstarker und einheitlicher Elektronik. Mit der von ihnen entwickelten Strategie ließe sich künftig zuverlässig einheitliches hBN im großen Maßstab herstellen und anschließend in verschiedene Geräte integrieren.

Ago und seine Kollegen planen nun, ihre Synthese- und Transferprozesse weiter zu verbessern, um ihre Einführung sowohl in der Forschung als auch in der Industrie zu erleichtern. Beispielsweise weist das während ihrer Experimente erzeugte hBN eine homogene Dicke zwischen 5 und 10 nm über einen Wafer auf, was möglicherweise nicht den Anforderungen besonders komplexer und anspruchsvoller elektronischer Anwendungen entspricht.

„Die Möglichkeit, dickere hBN-Filme herzustellen, würde zu einer besseren Isolierung anderer 2D-Materialien führen, aber es hat sich als schwierig erwiesen, die Dicke zu erhöhen und gleichzeitig die Gleichmäßigkeit beizubehalten“, fügte Ago hinzu. „Wir arbeiten daher jetzt daran, unsere Synthesemethoden zu verbessern. Darüber hinaus basiert unser aktueller Transferprozess auf der Verwendung einer PMMA-Opferschicht. Daher untersuchen wir derzeit alternative Methoden, die zu saubererem übertragenem hBN führen und sich besser für die Verarbeitung im industriellen Maßstab eignen.“ Dies ermöglicht eine Erhöhung des Verarbeitungsdurchsatzes bei gleichzeitiger Beibehaltung der Gerätequalität.“

Mehr Informationen: Satoru Fukamachi et al., Großflächige Synthese und Übertragung von mehrschichtigem hexagonalem Bornitrid für verbesserte Graphen-Gerätearrays, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-022-00911-x

© 2023 Science X Network