El grande

Característica del 6 de marzo de 2023

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Investigadores de la Universidad de Kyushu, el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) y la Universidad de Osaka en Japón han introducido recientemente una nueva estrategia para sintetizar nitruro de boro hexagonal multicapa (hBN), un material que podría usarse para integrar diferentes materiales 2D. materiales en dispositivos electrónicos, preservando al mismo tiempo sus propiedades únicas. El enfoque propuesto, descrito en un artículo publicado en Nature Electronics, podría facilitar la fabricación de nuevos dispositivos basados ​​en grafeno de alto rendimiento.

"El aislante 2D atómicamente plano hBN es un material clave para la integración de materiales 2D en dispositivos electrónicos", dijo a Tech Xplore Hiroki Ago, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Por ejemplo, la mayor movilidad del portador en el grafeno monocapa se logra sólo cuando está intercalado por hBN multicapa. La superconductividad observada en el grafeno bicapa retorcido también necesita hBN multicapa para aislarse del medio ambiente".

Además de su valor para fabricar dispositivos basados ​​en grafeno, hBN también se puede utilizar para integrar dicalcogenuros de metales de transición (TMD) en dispositivos, logrando una fuerte fotoluminiscencia y una alta movilidad del portador. También puede resultar valioso para realizar estudios centrados en la física muaré.

A pesar de sus numerosos usos posibles, hasta ahora la síntesis de hBN de alta calidad ha demostrado ser un desafío, particularmente en comparación con la síntesis de otros materiales 2D. Los hBN producidos usando los métodos existentes son generalmente demasiado finos o no homogéneos.

"Aunque se han logrado resultados prometedores utilizando la deposición química de vapor (CVD), solo se limita al hBN monocapa, pero el hBN monocapa no es lo suficientemente grueso como para descartar los efectos ambientales", dijo Ago. "Por lo tanto, controlar el espesor del hBN sigue siendo un desafío debido a las complejas interacciones entre las especies B y N y el sustrato catalítico".

El objetivo clave del reciente estudio de Ago y sus colegas fue identificar una estrategia para producir hBN con un espesor uniforme en diferentes escalas que satisfaga las necesidades de diferentes dispositivos. El equipo también deseaba permitir la integración exitosa del hBN sintetizado con grafeno, logrando dispositivos confiables y de alto rendimiento a escala de oblea.

La estrategia que idearon se basa en CVD, un proceso químico comúnmente utilizado para cultivar hBN y otros materiales 2D. Si bien este proceso se aplicó en trabajos anteriores, no siempre dio como resultado un hBN homogéneo y de buena calidad.

"El proceso consiste en exponer un sustrato metálico (lámina policristalina de Fe-Ni en nuestro caso) a un gas que contiene los precursores del hBN (B y N), que sufren reacciones químicas a altas temperaturas para crear capas de hBN en la superficie del Fe-Ni", explicó Ago. "Ajustando la cantidad relativa de Fe y Ni, se puede obtener una segregación uniforme de hBN. Además del crecimiento de CVD, la transferencia desde el catalizador metálico también es muy importante, porque influye fuertemente en las propiedades físicas".

Para transferir el hBN que habían cultivado al grafeno, Ago y sus colegas utilizaron una técnica de transferencia de material conocida como delaminación electroquímica, aprovechando las burbujas de H2 formadas en la interfaz de las capas Fe-Ni y hBN. Si bien se sabe que este proceso es más limpio y eficiente que otros métodos de transferencia de material, descubrieron que la interfaz entre el hBN y la capa de grafeno no era tan limpia como les hubiera gustado y, por lo tanto, no produciría dispositivos de grafeno uniformes a escala de oblea.

"Para abordar este problema, estudiamos sistemáticamente los efectos de varios procesos de limpieza y tratamiento en el hBN transferido y en el grafeno posterior", dijo Ago. "Descubrimos que el recocido secuencial en un ambiente de H2 a altas temperaturas garantiza interfaces relativamente limpias entre el hBN y el grafeno".

Utilizando el enfoque propuesto de síntesis y transferencia de hBN, los investigadores pudieron fabricar dispositivos de alto rendimiento en los que hBN encapsulaba grafeno. Se descubrió que estos dispositivos superaban a otros dispositivos en los que se colocaba grafeno directamente sobre una capa de SiO2.

"Esta mejora de rendimiento, que se había observado anteriormente en dispositivos cuidadosamente diseñados en lugares específicos, limpios y homogéneos, se observó aquí por primera vez en dispositivos producidos a escala de oblea utilizando procedimientos compatibles con técnicas de producción en masa", dijo Ago. "Demostramos la síntesis exitosa de hBN de alta calidad a gran escala utilizando láminas de Fe-Ni relativamente económicas y desarrollamos procesos de transferencia escalables que permitieron la fabricación de dispositivos de grafeno con un rendimiento mejorado a escala de oblea".

Este estudio reciente de Ago y sus colegas demuestra el potencial de los materiales 2D cultivados mediante CVD para la producción en masa de productos electrónicos uniformes y de alto rendimiento. En el futuro, la estrategia que desarrollaron podría utilizarse para producir hBN uniforme a gran escala de forma fiable y luego integrarlo en diferentes dispositivos.

Ago y sus colegas ahora planean mejorar aún más sus procesos de síntesis y transferencia, para facilitar su introducción tanto en entornos de investigación como industriales. Por ejemplo, el hBN producido durante sus experimentos muestra un espesor homogéneo que oscila entre 5 y 10 nm a lo largo de una oblea, lo que podría no cumplir con los requisitos de aplicaciones electrónicas particularmente complejas y exigentes.

"La capacidad de producir películas de hBN más gruesas redundaría en un mejor aislamiento de otros materiales 2D, pero se ha demostrado que aumentar el espesor manteniendo la uniformidad es un desafío", añadió Ago. "Por lo tanto, ahora estamos trabajando para mejorar nuestros métodos de síntesis. Además, nuestro proceso de transferencia actual se basa en el uso de una capa de sacrificio de PMMA, por lo que actualmente estamos investigando métodos alternativos que resulten en una transferencia más limpia de hBN y que sean más susceptibles de procesamiento a escala industrial. lo que permite aumentar el rendimiento del procesamiento manteniendo la calidad del dispositivo".

Más información: Satoru Fukamachi et al, Síntesis y transferencia de áreas grandes de nitruro de boro hexagonal multicapa para conjuntos de dispositivos de grafeno mejorados, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-022-00911-x

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