Солнечные панели, камеры, биосенсоры и волоконная оптика-это технологии, которые основаны на фотоприемниках или датчиках, преобразующих свет в электричество. Фотоприемники становятся все более эффективными и доступными, а их составные полупроводниковые чипы уменьшаются в размерах. Однако эта миниатюризация противоречит ограничениям, установленным современными материалами и методами производства, вынуждая идти на компромисс между размером и производительностью.
Кроме того, текущий метод переноса и укладки этих пленок осуществляется путем механического отслаивания, процесса, при котором кусок ленты отрывает полупроводниковую пленку, а затем слой за слоем переносит ее на новую подложку. Этот процесс приводит к образованию множества неоднородных слоев, наложенных друг на друга, при этом недостатки каждого слоя накапливаются в целом. Этот процесс влияет на качество продукта, а также ограничивает воспроизводимость и масштабируемость этих чипов.
Наконец, некоторые материалы плохо функционируют в виде чрезвычайно тонких слоев. Кремний остается вездесущим материалом для полупроводниковых чипов, однако, чем он тоньше, тем хуже он работает как фотонная структура, что делает его менее идеальным в фотоприемниках. Другие материалы, которые работают лучше, чем кремний, поскольку чрезвычайно тонкие слои все еще требуют определенной толщины для взаимодействия со светом, что создает проблему определения оптимальных фотонных материалов и их критической толщины для работы в полупроводниковых чипах фотоприемников.
Производство однородных, чрезвычайно тонких, высококачественных фотонных полупроводниковых пленок из материала, отличного от кремния, сделало бы полупроводниковые чипы более эффективными, применимыми и масштабируемыми.
Инженеры Пенна Дип Яривала, доцент кафедры электротехники и системной инженерии, и Паван Кумар и Джейсон Линч, аспирант и докторант в его лаборатории, провели исследование, опубликованное в журнале Nature Nanotechnology это было направлено именно на это. Эрик Стах, профессор материаловедения и инженерии, вместе со своим постдоком Сурендрой Анантараманом, докторантом Хуэйцинем Чжаном и студентом-старшекурсником Франсиско Баррерой также внесли свой вклад в эту работу. В совместном исследовании также участвовали исследователи из Пенсильванского университета, ЭКСТРОНА, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Исследовательской лаборатории ВВС и Национальной лаборатории Брукхейвена, и оно в основном финансировалось Исследовательской лабораторией армии. В их статье описывается новый метод изготовления атомарно тонких сверхрешеток, или полупроводниковых пленок, которые обладают высокой светоизлучающей способностью.
Материалы толщиной в один атом обычно имеют форму решетки или слоя геометрически выровненных атомов, которые образуют узор, специфичный для каждого материала. Сверхрешетка состоит из решеток из различных материалов, сложенных друг на друга. Сверхрешетки обладают совершенно новыми оптическими, химическими и физическими свойствами, которые делают их пригодными для конкретных применений, таких как фотооптика и другие датчики.
Команда из Penn Engineering создала сверхрешетку толщиной в пять атомов из вольфрама и серы (WS2).
«После двух лет исследований с использованием моделирования, которое показало нам, как сверхрешетка будет взаимодействовать с окружающей средой, мы были готовы экспериментально построить сверхрешетку», — говорит Кумар. «Поскольку традиционные сверхрешетки выращиваются непосредственно на желаемой подложке, они, как правило, имеют толщину в миллионы атомов и их трудно перенести на другие материальные подложки. Мы сотрудничали с отраслевыми партнерами, чтобы гарантировать, что наши атомарно тонкие сверхрешетки будут масштабируемы и применимы ко многим различным материалам».
Они вырастили монослои атомов, или решетки, на двухдюймовой пластине, а затем растворили подложку, что позволяет перенести решетку в любой желаемый материал, в их случае сапфир. Кроме того, их решетка была создана с повторяющимися единицами атомов, выровненными в одном направлении, чтобы сделать сверхрешетку двумерной, компактной и эффективной.
«Наш дизайн также масштабируется», — говорит Линч. «С помощью нашего метода нам удалось создать сверхрешетку с площадью поверхности, измеряемой в сантиметрах, что является значительным улучшением по сравнению с производимыми в настоящее время кремниевыми сверхрешетками микронного масштаба. Такая масштабируемость возможна благодаря равномерной толщине в наших сверхрешетках, что делает производственный процесс простым и воспроизводимым. Масштабируемость важна, чтобы иметь возможность размещать наши сверхрешетки на стандартных четырехдюймовых чипах».
Их конструкция сверхрешетки не только чрезвычайно тонкая, что делает ее легкой и экономичной, она также может излучать свет, а не просто обнаруживать его.
«Мы используем новый тип структуры в наших сверхрешетках, который включает экситон-поляритоны, которые являются квазигосударственными частицами, состоящими из половины вещества и половины света»,-говорит Линч. «Светом очень трудно управлять, но мы можем управлять материей, и мы обнаружили, что, манипулируя формой сверхрешетки, мы можем косвенно управлять излучаемым ею светом. Это означает, что наша сверхрешетка может быть источником света. Эта технология может значительно улучшить лидарные системы в автомобилях с автономным управлением, распознавание лиц и компьютерное зрение».
Возможность как излучать, так и обнаруживать свет с помощью одного и того же материала открывает двери для более сложных применений.
«Одна из современных технологий, для которой, как я вижу, используется наша сверхрешетка, — это встроенные фотонные компьютерные чипы, которые питаются от света», — говорит Линч. «Свет движется быстрее электронов, поэтому чип, работающий от света, увеличит скорость вычислений, сделав процесс более эффективным, но проблема заключалась в том, чтобы найти источник света, который может питать чип. Наша сверхрешетка может быть решением этой проблемы».
Области применения этой новой технологии разнообразны и, скорее всего, будут включать высокотехнологичную робототехнику, ракеты и лазеры. Из-за широкого спектра применений этих сверхрешеток масштабируемость очень важна.
«Наши сверхрешетки изготавливаются с использованием общего, не сложного процесса, который не требует нескольких этапов в чистом помещении, что позволяет легко повторить процесс»,-говорит Кумар. «Кроме того, дизайн применим ко многим различным типам материалов, что обеспечивает адаптивность».
«В мире технологий наблюдается постоянная эволюция вещей, движущихся к наноуровню», — говорит он. «Мы определенно увидим истончение микрочипов и структур, из которых они состоят, и наша работа с двумерным материалом является частью этой эволюции».
«Конечно, по мере того, как мы утончаем вещи и делаем технологии все меньше и меньше, мы начинаем взаимодействовать с квантовой механикой, и именно тогда мы видим, как происходят интересные и неожиданные явления», — говорит Линч. «Я очень рад быть частью команды, которая внедряет квантовую механику в технологии с высокой отдачей».
phys.org
перевод Яндекс
