„Kanapki” z materiałów 2D dla elektroniki

Grafika ilustrująca materiał 2D

fot. seagul

Materiały 2D od kilku lat robią furorę. Ich popularność zbudował grafen, który dzięki doskonałemu przewodnictwu elektrycznemu był i jest odmieniany przez wszystkie przypadki, nie tylko w środowisku naukowym. Świat materiałów dwuwymiarowych jest jednak o wiele bogatszy. Ich wytwarzaniem zajmuje się mgr inż. Jakub Sitek, którego badaniom został poświęcony najnowszy odcinek podcastu SciPod.

Dzięki metodzie Czochralskiego możliwe stało się otrzymywanie monokryształów krzemu, z których powstają układy elektroniczne w używanych przez nas na co dzień telefonach czy komputerach. Współczesna elektronika oparta na tym pierwiastku ma jednak poważny problem — zaczyna dochodzić do fizycznych granic możliwości zmniejszania swoich elementów. Rozwiązania tego kłopotu można poszukiwać w badaniach nad materiałami 2D, których właściwości są niezwykle atrakcyjne z technologicznego punktu widzenia. 

Kanapka 2D 

— Zajmuję się dichalkogenkami metali przejściowych, które można nazwać odpowiednikiem krzemu w świecie materiałów 2D. Chodzi nie tylko o pojedyncze warstwy, ale również heterostruktury, czyli „kanapki” łączące różne rodzaje materiałów dwuwymiarowych — mówi Jakub Sitek, doktorant z Zespołu Badań Nanostruktur. 

W tego rodzaju strukturach warstwy grubości atomu przylegają do siebie dzięki subtelnym oddziaływaniom między atomami i cząsteczkami, siłom van der Waalsa. Dzięki nim możemy poznać właściwości heterostruktur niespotykane w przypadku warstw materiałów 2D jednego rodzaju. Zanim jednak możliwe będzie wykorzystanie ich potencjału, konieczne jest dokładne opracowanie procesu tworzenia warstw, tak aby zachować wysoką jakość i zapewnić skalowalność. 

Para zamiast taśmy 

— Dwie główne metody wytwarzania heterostruktur 2D to eksfoliacja mechaniczna, czyli metoda taśmy klejącej, i chemiczne osadzanie z fazy gazowej. W swoim projekcie zajmuję się właśnie tą drugą metodą. Jeśli chcę otrzymać np. dwusiarczek molibdenu, do reaktora wkładam podłoże, a potem doprowadzam do niego gazy reakcyjne. Podgrzewam siarkę, a także tlenek molibdenu, a ich pary reagują ze sobą: siarka redukuje tlenek do siarczku i to on osadza się na podłożu — wyjaśnia młody badacz. Zastosowana metoda ma przewagę nad sposobem mechanicznym, zapewnia bowiem pełną skalowalność, a warstwy wytwarzane z jej użyciem są mniej podatne na uszkodzenia. 

Hodowla heterostruktur  

Do tej pory technikę tę z powodzeniem wykorzystano także do produkcji innych wysokiej jakości materiałów 2D o jednolitej strukturze molekularnej, w tym przewodzącego grafenu i izolującego heksagonalnego azotku boru. Wyzwanie stanowiło jednak utworzenie więcej niż dwóch warstw, a także wybór podłoża, które będzie stanowiło stabilną platformę dla wzrostu heterostruktur. 

Zespół naszego doktoranta zbadał wpływ parametrów wzrostu na właściwości wyhodowanych heterostruktur i scharakteryzował je za pomocą mikroskopii sił atomowych, mikroskopii elektronowej i spektroskopii Ramana. Jak wynika z badań grupy mgr. inż. Jakuba Sitka, materiały 2D łatwiej wyhodować na innych materiałach 2D niż na powszechnie stosowanych podłożach, takich jak choćby szafir. 

Zanim w pełni zaczniemy korzystać z potencjału materiałów dwuwymiarowych potrzebne są jeszcze kolejne badania. Nie ma jednak wątpliwości, że warto poświęcić na nie czas — perspektywa stworzenia urządzeń o bardzo niskim poborze mocy, elastycznych urządzeń elektronicznych, a może nawet zaprezentowania całkiem nowego oblicza elektroniki z pewnością stanowi doskonałą motywację.  

O kulisach i wynikach badań Jakuba Sitka można posłuchać w podcaście SciPod: www.scipod.global/dr-jakub-sitek-growing-stacks-of-2d-materials-for-electronic-applications

Artykuł Three-step, transfer-free growth of MoS2/WS2/graphene vertical van der Waals heterostructure jest dostępny na stronie iopscience.iop.org.