La calotta degli atomi: il primo strato protettivo

La corsa per produrre chip per computer più veloci e potenti continua, mentre i componenti base dei transistor si riducono a dimensioni più piccole e compatte. Entro pochi anni questi transistor misureranno solo pochi atomi: a quel punto la miniaturizzazione della tecnologia del silicio attualmente utilizzata raggiungerà i suoi limiti fisici. Pertanto, la ricerca di materiali alternativi con proprietà completamente nuove è cruciale per il futuro progresso tecnologico.

Nel 2021, gli scienziati del Cluster of Excellence ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter presso la JMU Würzburg e la TU Dresden hanno fatto un'importante scoperta: materiali quantistici topologici come l'adenina, che sono una grande promessa per l'altissima velocità e l'efficienza energetica. elettronica. I semiconduttori quantistici ultrasottili risultanti sono costituiti da un singolo strato di atomi – atomi di indio nel caso dell’indenina – e agiscono come isolanti topologici, conducendo elettricità quasi senza resistenza lungo i loro bordi.

“La produzione di un singolo strato atomico di questo tipo richiede sofisticate apparecchiature per il vuoto e materiali di substrato specifici. Per utilizzare questo materiale 2D nei componenti elettronici, deve essere rimosso dall'ambiente del vuoto. “Tuttavia, l'esposizione all'aria, anche brevemente, porta all'ossidazione, portando a Distruggete le sue proprietà rivoluzionarie e rendetelo inutilizzabile”, spiega il fisico sperimentale professor Ralf Claessen, portavoce del ct.qmat a Würzburg.

Il team ct.qmat Würzburg ha ora risolto questo problema. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura.

Alla ricerca di uno strato protettivo

“Abbiamo dedicato due anni alla ricerca di un modo per proteggere il sensibile strato di indenina dagli elementi ambientali utilizzando un rivestimento protettivo. La sfida era garantire che questo rivestimento non interagisse con lo strato di indenina”, spiega Cédric Schmidt, uno dei dottorandi di Claessen coinvolti nel progetto. Un problema perché quando diversi tipi di atomi si incontrano, ad esempio quelli di uno strato protettivo e di un semiconduttore, reagiscono chimicamente a livello atomico, modificando il materiale. Questo non è un problema con i tradizionali chip di silicio, che sono composti di più strati atomici, lasciando gli strati Sufficienti non viene influenzato e quindi è ancora efficace.

“I materiali semiconduttori a strato atomico singolo come l'indenina sono solitamente compromessi da uno strato protettivo. Ciò ha rappresentato una sfida insormontabile, che ha suscitato la nostra curiosità di ricerca”, afferma Claessen. La ricerca di uno strato protettivo utilizzabile li ha portati a esplorare i materiali di Van der Waals , dal nome del fisico olandese Johannes Diederik van der Waals (1837-1923). “Questi strati atomici bidimensionali di van der Waals sono caratterizzati da forti legami interni tra i loro atomi, mentre il loro legame con il substrato è solo debole”, spiega Claessen . Il concetto è simile a come una matita fatta di grafite – una forma di carbonio con atomi disposti in strati a nido d’ape – scrive su carta. Gli strati di grafene possono essere facilmente separati. Il nostro obiettivo è replicare questa caratteristica.

successo!

Utilizzando apparecchiature per il vuoto altamente sofisticate, il team di Würzburg ha condotto esperimenti riscaldando il carburo di silicio (SiC) come substrato per l'adenina ed esplorando le condizioni necessarie per formare da esso il grafene. “Il carburo di silicio è composto da atomi di silicio e carbonio. Il riscaldamento provoca il distacco degli atomi di carbonio dalla superficie e la formazione di grafene”, afferma Schmidt, spiegando il processo di laboratorio. “Quindi depositiamo tramite vapore atomi di indio, che vengono inseriti tra la pellicola protettiva di grafene”. strato e il substrato di carburo di silicio. È così che si è formato lo strato protettivo della nostra materia quantistica bidimensionale, l’indenina.

L'ombrellone non è alzato

Per la prima volta al mondo, Claessen e il suo team della filiale ct.qmat di Würzburg sono riusciti a progettare uno strato protettivo funzionale per un materiale semiconduttore quantistico 2D senza comprometterne le straordinarie proprietà quantistiche. Dopo aver analizzato il processo di produzione, hanno testato in modo approfondito le capacità dello strato protettivo contro l'ossidazione e la corrosione. “Funziona! Il campione può anche essere esposto all'acqua senza che venga influenzato in alcun modo”, afferma soddisfatto Claessen. “Lo strato di grafene funge da ombrello per la nostra endrina.”

Verso l'elettronica dello strato atomico

Questa innovazione apre la strada ad applicazioni che coinvolgono strati atomici altamente sensibili di semiconduttori. La produzione di componenti elettronici ultrasottili richiede la loro lavorazione in aria o in altri ambienti chimici. Ciò è diventato possibile grazie alla scoperta di questo meccanismo di protezione. Il team di Würzburg si sta ora concentrando sull’identificazione di altri materiali van der Waals che potrebbero fungere da strati protettivi – e hanno già in mente alcune prospettive future. Il problema è che, sebbene il grafene protegga efficacemente i suoi singoli strati atomici dai fattori ambientali, la sua conduttività elettrica comporta il rischio di cortocircuiti. Gli scienziati di Würzburg stanno lavorando per superare queste sfide e creare le condizioni per la futura elettronica di classe atomica.

Cluster di Eccellenza ct.qmat

Il Cluster of Excellence ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter è gestito congiuntamente dall'Università Julius Maximilians (JMU) di Würzburg e dalla Technische Universität Dresden dal 2019. Più di 300 scienziati provenienti da più di trenta paesi e quattro continenti studiano la quantistica topologica materiali che rivelano fenomeni sorprendenti in condizioni estreme come temperature estremamente basse, alta pressione o forti campi magnetici. ct.qmat è finanziato dalla Strategia di Eccellenza Tedesca del Governo Federale e dei Länder ed è l'unico Gruppo di Eccellenza in Germania con sede in due diversi Länder federali.