Революция в производството: Как електрическото поле сглобява микрочипове за 15 секунди

Двуизмерните полупроводници показаха, че сложната литография може да отпадне.

Транзисторите, ключовите елементи на цифровата електроника, вече са толкова миниатюрни, че размерът им е десетки атоми. Но при този мащаб конвенционалната силициева технология се сблъсква със сериозни пречки: смущения, изтичане на ток и производствени процеси, които са твърде сложни и скъпи. Стратегията, основана на постоянното сгъстяване на транзисторите в чиповете, достига своите граници – класическите методи вече не гарантират повишаване на производителността.

За да преодолеят тези ограничения, инженерите все по-активно търсят нови материали и подходи за проектиране на чиповете. Двуизмерните полупроводници – атомно тънки материали като молибденов дисулфид (MoS₂) и волфрамов диселенид (WSe₂) – се считат за една от най-обещаващите области. Те позволяват ефективно провеждане на заряда дори при дебелина от един атом и могат да функционират като транзистори от n- и p-тип, необходими за изграждане на логически елементи.

Превръщането на тези материали в цялостни схеми обаче остава предизвикателство. Настоящите методи изискват високи температури, вакуумни съоръжения или ръчно поставяне на нанолистовете, което прави масовото производство изключително трудно. Мащабирането води до дефекти, лошо подреждане и сложност, които обезсмислят простотата на самите материали.

Един нов подход, представен в списанието Advanced Functional Materials и описан от портала Nanowerk , предлага решение на проблема. Учените са комбинирали течно наслояване на 2D-полупроводници с помощта на електрическо поле, което насочва нанолистовете към предварително определени електроди. По този начин могат да се сглобяват комплементарни логически схеми без фотолитография, ецване и нагряване.

Процесът протича паралелно, което прави възможно създаването на няколко устройства върху един чип в рамките на една стъпка. Това опростява производството, като същевременно запазва предимствата на ултратънките материали.

За производството на висококачествени нанолистове екипът използва електролитно разслояване: между слоевете кристали под напрежение се въвеждат големи йони, които отслабват връзките. След това чрез мека ултразвукова обработка те се разделят на стабилни листове. За разлика от традиционните механични методи, новите нанолистове достигат размери над един микрон и остават суспендирани в разтвора.

Учените подобряват процеса: заострените електроди образуват поле, което свежда до минимум нежеланите отлагания, а променливият сигнал с честота 50 Hz осигурява баланс между подреждането и залепването на нанолистовете. Само след 15 секунди могат да се образуват равномерни канали с дебелина около 10 нанометра.

Проблем остават дефектите на атомно ниво – например отсъствието на атомите на сярата или селена, което се отразява на електрическите характеристики. За да коригират това, те използват химическа обработка със суперкиселината TFSI, която премахва тези дефекти.

В резултат на това екипът показа, че 2D материалите могат да се използват за създаване на цялостни логически устройства и устройства за памет. Бяха реализирани инвертори, логически елементи NAND и NOR и SRAM клетки с ниска консумация на енергия, точни резултати и стабилно съхранение на данните.