Исследователи Стэнфордского университета разработали технологию переноса одноатомных полупроводников из дисульфида молибдена на гибкую основу. В результате удалось получить гибкие транзисторы толщиной всего 5 микрон.

Иллюстрация процесса переноса двумерного полупроводника (слева) и фотография полупрозрачной подложки с перенесёнными структурами (справа). Источник: stanford.edu

Гонка за уменьшением размера полупроводников привела учёных к использованию двумерных материалов в качестве основы для транзисторов. Специалисты в области гибкой электроники особенно заинтересованы в изучении новых двумерных материалов, поскольку используемый сейчас кремний очень хрупкий, непрозрачный и нерастяжимый. Это мешает разработке высокотехнологичных гибких устройств.

В мае этого года международная команда ученых сделала одноатомный транзистор на основе дисульфида молибдена, сократившего длину канала с 5—10 нм до субнанометрового масштаба. В Стэнфордском университете также обратились к свойствам этого соединения, но использовали их для придания полупроводникам гибкости.

Инженеры создают гибкие микросхемы на основе из полиимидов, полиэфирэфиркетона или прозрачной проводящей полиэфирной плёнки. Основная проблема процесса заключается в том, что процессы производства полупроводников слишком теплоёмкие для материалов основы, поэтому авторы придумали поэтапный способ переноса транзисторов на гибкую основу.

Авторы изготовили твёрдую основу из кремния, покрытого стеклом. Поверх стекла исследователи разместили тонкий слой двумерного полупроводникового дисульфида молибдена, и сверху на него нанесли золотом нанопаттерн. Учёные накладывали слои методом осаждения из паровой фазы при температуре до 850 °C. Твёрдая подложка выдерживает эту температуру, в то время как полиимид, полиэфирэфиркетон и полиэфирная плёнка распадаются уже при 400 °C. Также за счёт твёрдой основы исследователи сформировали сверхтонкие слои материалов, что было бы невозможным при нанесении напрямую на гибкую основу.

Как только основа остыла, авторы поместили её в ванну с деионизированной водой. В этой среде полупроводник отслоился от стекла, после чего исследователи без повреждений перенесли его на полиимид. В результате они получили гибкий транзистор из дисульфида молибдена на полупрозрачном полиимиде общей толщиной всего 5 микрон. Нанопаттерн из золота рассеивает тепло, вырабатываемое полупроводником, и защищает гибкую основу от перегрева и деформации.

(а) Фото дисульфида молибдена (MoS₂) и паттерна из золота (Au), покрытых полиимидом (PI). Материалы находятся на стеклянной подложке с диоксидом кремния (SiO2) (b) Схема переноса MoS₂ и Au на PI. (с) Фотография PI после переноса. (d) Изображение PI после переноса материала, полученное на оптический микроскоп. (е) и (f) PI до и после переноса материала.

Исследователи называют несколько преимуществ технологии. Уменьшение размеров означает, что элементов не только получится уместить больше, но и энергоэффективность вырастет. Как говорят авторы исследования, созданные транзисторы могут пропускать большой ток при малом напряжении, что сулит низкое энергопотребление.

На данный момент авторы занимаются усовершенствованием устройства, взяв за основу два других одноатомных полупроводника — селенид молибдена и селенид вольфрама. Кроме того, они изучают возможность интеграции гибких радиосхем в беспроводные технологии для создания сетей без громоздкого оборудования.

Если эксперименты авторов пройдут успешно, это приведёт к новому шагу в гибкой электронике и повышению прочности и эффективности гибких электронных устройств, таких как гибкие дисплеи или медицинские импланты.

В прошлом году авторы разместили препринт на arХiv. Итоговые материалы исследования опубликованы в статье «High-performance flexible nanoscale transistors based on transition metal dichalcogenides» в журнале Nature Electronics DOI: 10.1038/s41928-021-00598-6.

Стэнфорд сообщил об успехах гибких одноатомных транзисторов