Создана первая логическая схема на основе двумерного материала

Используя плёнки дисульфида молибдена толщиной в два молекулярных слоя, учёным из Массачусетского технологического института (США) удалось построить логические схемы, являющиеся сердцем любого современного гаджета. Полученные устройства можно смело считать первыми элементами интегральных схем, созданными на основе двумерных материалов, призванных стать основой светлого будущего гибкой электроники.

Отчёт о проделанной работе и использованных методах опубликован в журнале Nano Letters.

Поскольку такие двумерные материалы, как графен, обладают более высокой проводимостью и прочностью, чем традиционный кремний, учёные видят в них реальную надежду на создание по-настоящему гибких гаджетов (к примеру, встраиваемой в одежду электроники), не ограниченных частично сгибающимися участками. К сожалению, несмотря на эффект стадного чувства в погоне за популярной игрушкой, материаловедам так и не удалось найти разумный способ создания запрещённой зоны внутри проводящего графена, что делает этот материал совершенно непригодным для создания транзисторов.

Структура и схема нового транзстора (иллюстрация ACS).

Поэтому некоторые здравомыслящие исследователи уже успели обратиться к такому интересному полупроводнику, как дисульфид молибдена MoS₂. Однако до сих пор отдельные энтузиасты могли создавать лишь по одному транзистору за раз (см., например, здесь) на отдельных чешуйках MoS₂. В результате для связывания транзисторов в схему приходилось использовать внешние провода, возвращаясь таким образом на 40–50 лет назад. И вот теперь в МТИ сделан следующий шаг: удалось создать целую интегральную схему на единой подложке из полупроводникового материала, как это имеет место при производстве кремниевых микросхем.

Вначале учёные отделили бимолекулярные плёнки MoS₂ от кристалла молибденита, где каждый молекулярный слой состоит из слоя атомов молибдена, зажатых между атомными слоями серы. После трансфера плёнок на кремниевую подложку пришла очередь нанесения электродов из титана и золота прямо на поверхность MoS₂, для чего была использована электронно-лучевая литография. Затем, чтобы предотвратить нежелательные замыкания и изолировать электроды друг от друга, сверху методом атомно-слоевого осаждения был положен слой диэлектрического материала (оксида гафния).

Наконец, венцом производственного процесса стало нанесение второго набора палладиевых или алюминиевых электродов (выбор конкретного материала диктовался природой транзистора: находится ли он обычно в состоянии «включено» — или «выключено»). Конечно, такой «венец» немного смазывает общее впечатление, поэтому сейчас авторы заняты поиском материала электрода с подходящими электронными свойствами, который позволил бы изготавливать транзисторы обоих типов.

Тем не менее, используя описанный производственный процесс, учёные смогли построить четыре типа логических элементов, каждый из которых содержал от 2 до 12 транзисторов. И одним из них стал NAND-вентиль, который может применяться при создании любых других логических вентилей, то есть и любых интегральных схем.

Подготовлено по материалам Chemical and Engineering News.