创造更好的设备：蚀刻停在这里

伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的一个多学科科学家和工程师团队发现了一种新的，更精确的方法来制造纳米尺寸的机电设备。他们的研究成果发表在Nature Communications上。

“在过去的五年中，有一个巨大的淘金热，研究人员发现我们可以制造出自然只有一个分子厚但可以具有许多不同电子特性的二维材料，并且通过将它们堆叠在彼此之上，我们可以几乎所有分子尺寸的电子设备都是工程师，“机械科学与工程教授Arend van der Zande说。

“我们面临的挑战是，虽然我们可以将这些结构制成几个分子厚，但我们无法对它们进行图案化，”他说。

在任何规模的电子器件中，以精确的图案蚀刻掉层以控制电流的流动方式。“这个概念是许多技术的基础，比如集成电路。然而，你越小，就越难做到，”van der Zande说。

“例如，你如何在分子层3和5上进行电接触，而不是在原子水平的第4层进行电接触?”

一个偶然的发现导致了一种方法。

作为van der Zande实验室的一名新博士后研究员，Jangyup Son正在使用二氟化氙(XeF2)对单层石墨烯进行一些实验，当时他正在“投入”另一种材料：六角形氮化硼(hBN)，一种电气绝缘子。

“Jangyup同时将两种材料推入蚀刻室，他所看到的是仍然存在单层石墨烯，但是一片厚厚的hBN被二氟化氙完全蚀刻掉了。”

这一意外发现促使团队了解石墨烯能够承受蚀刻剂的能力。

“这一发现使我们能够通过在其他材料(如六角形氮化硼(hBN)，过渡金属二硫化物(TMDC)和黑磷(BP))之间放置石墨烯层来对二维结构进行图案化，以选择性地和精确地蚀刻一层没有蚀刻下面的层。“

当石墨烯暴露于蚀刻剂XeF2时，其保留其分子结构并掩蔽或保护下面的层并实际上停止蚀刻。

“我们发现的是一种将复杂结构模式化为分子和原子尺度的方法，”他说。

为了探索新技术的优势，该小组创建了一个简单的石墨烯晶体管来测试其相对于传统制造的石墨烯晶体管的性能，目前这些晶体管的图案化方式会导致材料无序，降低其性能。

“因为这些分子都是表面的，如果你把它放在任何有任何无序的东西上，它就会让电子在材料中移动，从而影响电子性能，”van der Zande说。“为了使最好的设备成为可能，你需要将石墨烯分子封装在另一种二维材料中，例如绝缘hBN，以保持其超平整和清洁。”

这是新技术非常有用的地方。石墨烯分子可以保持封装和原始，同时经受与材料接触所需的蚀刻，从而保持材料的性质。

作为概念的证明，使用这种新技术制造的晶体管胜过所有其他晶体管，“使它们成为迄今为止在文献中证明的最好的石墨烯晶体管。”

van der Zande说，接下来的步骤是看技术的可扩展性，以及它是否能够实现以前不可能的设备。我们能否利用这种技术的自我抑制特性来制造一百万个相同的晶体管，而不仅仅是一个?我们是否可以同时在所有三个维度上将器件模式化为纳米级，以制造无任何无序的纳米带?

“现在我们有办法尽量减少材料中的混乱，我们正在探索制作更小特征的方法，因为我们可以同时进行封装和图案化，”他说。“通常情况下，当你尝试制作像2D材料的纳米带等较小的特征时，这种疾病开始占主导地位，因此这些设备无法正常工作。”

“石墨烯蚀刻停止，正如所谓的技术，将使建筑设备的整个过程更容易。”