Los materiales atómicamente delgados como el grafeno son moléculas individuales en las que todos los enlaces químicos están orientados de modo que la molécula resultante forma una lámina. A menudo tienen propiedades electrónicas distintivas que podrían permitir la producción de productos electrónicos con características increíblemente pequeñas, de solo unos pocos átomos de espesor. Y hay muchos ejemplos de hardware funcional construido a partir de estos materiales bidimensionales.

Pero casi todos los ejemplos hasta ahora han utilizado la construcción personalizada, a veces involucrando a investigadores que manipulan a mano escamas individuales de material. Así que no estamos en el punto en el que podamos fabricar en masa componentes electrónicos complicados a partir de estos materiales. Pero un artículo publicado hoy describe un método para producir transistores a escala de oblea basados ​​en materiales bidimensionales. Y los transistores resultantes funcionan de manera más consistente que los fabricados con enfoques de fabricación más tradicionales.

Mejor fabricación

La mayoría de los esfuerzos realizados para facilitar la producción de productos electrónicos basados ​​en materiales atómicamente delgados han implicado la integración de estos materiales en las técnicas tradicionales de fabricación de semiconductores. Esto tiene sentido porque estas técnicas nos permiten realizar manipulaciones de materiales a una escala increíblemente fina en grandes volúmenes. Por lo general, esto significa que gran parte del cableado de metal necesario para la electrónica se instala mediante fabricación tradicional. Luego, el material 2D se coloca en capas sobre el metal y se realiza un procesamiento adicional para formar transistores funcionales.

A menudo, este «procesamiento adicional» implica la colocación de capas de metal sobre el material 2D. Este método, argumentan los investigadores detrás del trabajo, probablemente no sea la mejor manera de hacer las cosas. Depositar el metal puede dañar el material 2D, y algunos átomos de metal individuales pueden potencialmente difundirse en el material 2D, creando pequeños cortocircuitos dentro de la característica más grande. Todo esto degrada el rendimiento de cualquier circuito construido utilizando la técnica.

Entonces, el equipo descubrió una manera de formar todas las partes individuales del circuito por separado y unirlas en condiciones suaves. La parte más simple fue formar las puertas del transistor, que simplemente se modelaron sobre un sustrato sólido y luego se recubrieron con óxido de aluminio.

Por separado, el equipo formó una lámina uniforme de un material atómicamente delgado (disulfuro de molibdeno) sobre una superficie de dióxido de silicio mediante deposición química de vapor. Luego, esta hoja se levantó y se transfirió a la parte superior del óxido de aluminio, lo que resultó en una capa semiconductora atómicamente delgada colocada en la parte superior de la puerta. Para formar un transistor, los investigadores solo carecían de electrodos de fuente y drenaje.

Esos se hicieron completamente por separado, formando todo el cableado sobre una superficie sólida. Luego, los cables se incrustaron en un polímero y todo se despegó de la superficie, creando una lámina de polímero con los cables incrustados en su superficie inferior. Por sí solo, este polímero es lo suficientemente flexible como para estirarse o distorsionarse y, por lo tanto, el cableado no se alinearía con las puertas como es necesario para formar circuitos funcionales. Para limitar estas distorsiones, los investigadores unieron el polímero a una hoja de cuarzo antes de estamparlo en la oblea cubierta con electrodos de puerta. Esto depositó el cableado directamente sobre el disulfuro de molibdeno, completando la formación de transistores funcionales.

Una vez que todo estuvo en su lugar, el polímero se pudo eliminar en condiciones suaves y cualquier exceso de material se cortó mediante grabado con plasma. El resultado fue una colección de transistores donde la conexión del semiconductor a la fuente y los electrodos de drenaje se forma simplemente colocando físicamente los materiales uno al lado del otro. Esto limita la posibilidad de daño al material semiconductor atómicamente delgado.

Mejor actuacion

Si bien todo el procesamiento requerido aquí es mucho más suave que la fabricación típica de semiconductores, esta fabricación simplifica las cosas al formar todas las características donde se necesitan. Para que este enfoque funcione, los electrodos de fuente y drenaje se fabrican por separado de la compuerta y deben conectarse después. Para circuitos con características pequeñas, esto requiere una alineación increíblemente precisa.

Eso… no siempre funcionó. Ha habido varios casos en los que toda la colección de electrodos terminó desalineada, generalmente debido a una ligera torsión al colocarlos en su lugar. Esto es algo que potencialmente se puede mejorar, pero probablemente seguirá siendo un desafío.

La buena noticia es que cuando funcionó, funcionó muy bien; los dispositivos funcionaron de manera mucho más consistente que los producidos utilizando técnicas más comunes. Y según la mayoría de las medidas, se desempeñaron significativamente mejor. El voltaje en los estados encendido y apagado difería en nueve órdenes de magnitud. La fuga en el estado apagado también fue muy baja.

En términos más generales, el enfoque funcionó. Los investigadores pudieron construir circuitos de trabajo en una oblea completa de 2 pulgadas, incluidas unidades de medio sumador, un componente esencial del hardware computacional. Entonces, aunque claramente todavía está en la fase de demostración, la demostración es hardware que podría usarse.

Eso no significa que el disulfuro de molibdeno esté en camino de reemplazar al silicio. Décadas de experiencia han hecho posible hacer cosas increíblemente sofisticadas con circuitos de silicio. Pero sí significa que la gente está empezando a desarrollar los conjuntos de herramientas que algún día podrían hacer que los materiales 2D sean un competidor viable del silicio.