ينمي مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مواد “مثالية” رقيقة الذرات

وفقًا لقانون مور، تضاعف عدد الترانزستورات الموجودة على الرقاقة الإلكترونية سنويًا منذ الستينيات، ولكن من المتوقع أن يصل هذا النمو إلى الحد الأقصى حيث يفقد السيليكون، وهو أساس الترانزستورات الحديثة، خصائصه الكهربائية عندما تنخفض الأجهزة المصنوعة منه إلى ما دون حد معين. مقاس.

أدخل المواد ثنائية الأبعاد – صفائح دقيقة ثنائية الأبعاد من بلورات مثالية رقيقة مثل ذرة واحدة.

 بمقياس نانومتر، يمكن للمواد ثنائية الأبعاد توصيل الإلكترونات بكفاءة أكبر بكثير من السيليكون. لذلك ركز البحث عن مواد الترانزستور من الجيل التالي على المواد ثنائية الأبعاد كخلفاء محتملين للسيليكون.

ولكن قبل أن تنتقل صناعة الإلكترونيات إلى المواد ثنائية الأبعاد، يتعين على العلماء أولاً إيجاد طريقة لهندسة المواد على رقائق السيليكون القياسية الصناعية مع الحفاظ على شكلها البلوري المثالي.

 وقد يكون لدى مهندسي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا حل الآن.

طور الفريق طريقة يمكن أن تمكن مصنعي الرقائق من تصنيع ترانزستورات أصغر من أي وقت مضى من مواد ثنائية الأبعاد من خلال تنميتها على رقاقات موجودة من السيليكون ومواد أخرى. 

الطريقة الجديدة هي شكل من أشكال “النمو غير المحوري أحادي البلورة”، والذي استخدمه الفريق لأول مرة لزراعة مواد ثنائية الأبعاد نقية وخالية من العيوب على رقائق السيليكون الصناعية.

باستخدام طريقتهم، صنع الفريق ترانزستورًا وظيفيًا بسيطًا من نوع من المواد ثنائية الأبعاد تسمى ثنائيات الكالكوجينات المعدنية الانتقالية، أو TMDs ، والتي يُعرف عنها توصيل الكهرباء بشكل أفضل من السيليكون في مقاييس نانومترية.

يقول جيهوان كيم، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “نتوقع أن تمكن تقنيتنا من تطوير أجهزة إلكترونية ثنائية الأبعاد تعتمد على أشباه الموصلات وعالية الأداء”. 

“لقد فتحنا طريقة لمواكبة قانون مور باستخدام مواد ثنائية الأبعاد.”

قام كيم وزملاؤه بتفصيل طريقتهم في ورقة بحثية نُشرت مؤخرًا في دورية Nature .

 يشمل المؤلفون المشاركون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Ki Seok Kim و Doyoon Lee و Celesta Chang و Seunghwan Seo و Hyunseok Kim و Jiho Shin و Sangho Lee و Jun Min Suh و Bo-In Park ، جنبًا إلى جنب مع متعاونين في جامعة تكساس في دالاس، جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد ، جامعة واشنطن في سانت لويس، والمؤسسات في جميع أنحاء كوريا الجنوبية.

خليط الكريستال

لإنتاج مادة ثنائية الأبعاد، استخدم الباحثون عادةً عملية يدوية يتم من خلالها تقشير رقائق ذرة رقيقة بعناية من مادة سائبة، مثل تقشير طبقات البصل.

لكن معظم المواد السائبة متعددة البلورات، وتحتوي على بلورات متعددة تنمو في اتجاهات عشوائية.

 عندما تلتقي إحدى البلورات بأخرى، تعمل “حدود الحبوب” كحاجز كهربائي. تتوقف أي إلكترونات تتدفق عبر بلورة واحدة فجأة عندما تقابل بلورة ذات اتجاه مختلف، مما يثبط موصلية المادة. حتى بعد تقشير الرقائق ثنائية الأبعاد، يجب على الباحثين بعد ذلك البحث في الرقاقة عن مناطق “أحادية البلورة” – وهي عملية شاقة وتستغرق وقتًا طويلاً يصعب تطبيقها على المستويات الصناعية.

في الآونة الأخيرة، وجد الباحثون طرقًا أخرى لتصنيع المواد ثنائية الأبعاد، من خلال زراعتها على رقائق من الياقوت – وهي مادة ذات نمط سداسي من الذرات التي تشجع المواد ثنائية الأبعاد على التجمع في نفس الاتجاه أحادي البلورة.

يقول كيم: “لكن لا أحد يستخدم الياقوت في صناعة الذاكرة أو المنطق”. “كل البنية التحتية تعتمد على السيليكون. لمعالجة أشباه الموصلات، تحتاج إلى استخدام رقائق السيليكون “.

ومع ذلك، فإن رقائق السيليكون تفتقر إلى سقالة داعمة سداسية من الياقوت.

 عندما يحاول الباحثون زراعة مواد ثنائية الأبعاد على السيليكون، تكون النتيجة خليطًا عشوائيًا من البلورات التي تندمج عشوائياً، وتشكل العديد من حدود الحبوب التي تعيق التوصيل.

يقول كيم: “يعتبر من المستحيل تقريبًا زراعة مواد أحادية البلورة ثنائية الأبعاد على السيليكون”. “الآن نظهر أنه يمكنك. وحيلتنا هي منع تكون حدود الحبوب “.

جيوب البذور

لا يتطلب “النمو غير البؤري أحادي البلورة” الذي وضعه الفريق تقشير وبحث رقائق من مادة ثنائية الأبعاد. بدلاً من ذلك، استخدم الباحثون طرق ترسيب البخار التقليدية لضخ الذرات عبر رقاقة سيليكون. 

تستقر الذرات في النهاية على الرقاقة والنوى، وتنمو في اتجاهات بلورية ثنائية الأبعاد. إذا تُركت وحدها، فإن كل “نواة”، أو بذرة بلورية، ستنمو في اتجاهات عشوائية عبر رقاقة السيليكون. لكن كيم وزملاؤه وجدوا طريقة لمحاذاة كل بلورة متنامية لإنشاء مناطق بلورية واحدة عبر الرقاقة بأكملها.

للقيام بذلك، قاموا أولاً بتغطية رقاقة من السيليكون في “قناع” – طبقة من ثاني أكسيد السيليكون قاموا بنقشها في جيوب صغيرة، كل منها مصمم لاحتجاز بذرة بلورية

. عبر الرقاقة المقنعة، قاموا بعد ذلك بتدفق غاز من الذرات التي استقرت في كل جيب لتشكيل مادة ثنائية الأبعاد – في هذه الحالة، TMD. أحاطت جيوب القناع الذرات وشجعتها على التجمع على رقاقة السيليكون في نفس الاتجاه أحادي البلورية.

“هذه نتيجة مروعة للغاية،” يقول كيم “لديك نمو بلوري واحد في كل مكان، حتى لو لم تكن هناك علاقة فوقية بين المادة ثنائية الأبعاد ورقاقة السيليكون.”

باستخدام طريقة التقنيع الخاصة بهم، صنع الفريق ترانزستور TMD بسيطًا وأظهر أن أدائه الكهربائي كان جيدًا مثل تقشر نقي من نفس المادة.

كما طبقوا الطريقة لهندسة جهاز متعدد الطبقات. بعد تغطية رقاقة سيليكون بقناع منقوش، قاموا بتنمية نوع واحد من مادة ثنائية الأبعاد لملء نصف كل مربع، ثم قاموا بتنمية نوع ثانٍ من مادة ثنائية الأبعاد فوق الطبقة الأولى لملء بقية المربعات. 

وكانت النتيجة بنية رقيقة للغاية أحادية الطبقة ثنائية الطبقة داخل كل مربع. يقول كيم إنه من الآن فصاعدًا، يمكن تطوير مواد ثنائية الأبعاد متعددة وتجميعها معًا بهذه الطريقة لصنع أفلام فائقة النحافة ومرنة ومتعددة الوظائف.

يقول كيم: “حتى الآن، لم تكن هناك طريقة لصنع مواد ثنائية الأبعاد في شكل بلوري واحد على رقائق السيليكون، وبالتالي فإن المجتمع بأكمله قد تخلى تقريبًا عن السعي وراء المواد ثنائية الأبعاد لمعالجات الجيل التالي”. 

“الآن لقد حللنا هذه المشكلة تمامًا، بطريقة تجعل الأجهزة أصغر من بضع نانومترات. سيؤدي هذا إلى تغيير نموذج قانون مور “.

المصدر: scitechdaily

شاهد المزيد:

أهمية إنشاء موقع إلكتروني

أفضل مواقع ترجمة عربي سويدي

طرق الربح من الانترنت

استضافة المواقع الإلكترونية

خبير سيو

أنت تستخدم إضافة Adblock

يعتمد موقع انشاء على الاعلانات كمصدر لدعم الموقع، يجب عليك ايقاف تشغيل حاجب الاعلانات لمشاهدة المحتوي