הכנת שטח גדול אנכי 2D קריסטל הטרו-מבנים באמצעות Sulfurization של מתכות מעבר סרטים עבור ייצור המכשיר
28 בנובמבר 2017
דרך sulfurization של מתכות המעבר מראש הופקדו, קריסטל 2D שטח גדול ואנכי הטרו-מבנים יכול להיות מפוברק. הסרט העברת ונהלים ייצור המכשיר מודגמות גם בדו ח זה.
המטרה הכוללת של טכניקת גידול זו היא להקים הטרו-מבנים גבישים דו-ממדיים אנכיים מורכבים, עם שליטה טובה על מספר השכבות הדו-ממדיות, תוך שימוש בהליכי גידול דומים לכל חומר. היתרון העיקרי של טכניקה פשוטה זו הוא שהיא משתמשת בהליכי גידול דומים עבור חומרים דו-ממדיים שונים ויש לה יכולת שליטה טובה במספר השכבות. טכניקה זו יכולה לעזור לחקור יישומים מעשיים של מבנים הטרוסקופיים של חומרים דו-ממדיים אנכיים מכיוון שהיא יכולה לייצר מבני גביש דו-ממדיים אנכיים גדולים יותר עם תכונות טרנזיטור משופרות בהשוואה למבני חומר בודדים.
כדי להתחיל בהליך, הרכיב מצע ספיר נקי במישור C של שני סנטימטר על שני סנטימטר על שלב הדגימה של מערכת מקרטעת RF, כאשר הצד המלוטש פונה למטרת המוליבדן. שאבו את תא הדגימה לשלוש פעמים 10 עד ששת הטורות השליליות. הזרקו גז ארגון למערכת במהירות של 40 מיליליטר לדקה וודאו שלחץ התא יציב בחמש פעמים 10 לשני הטורסים השליליים.
הדליקו את הפלזמה והגדירו את תפוקת הכוח ל-40 וואט. הפחת את לחץ התא לחמש פעמים 10 לשלושת הטורים השליליים. לאחר מכן, פתח ידנית את תריס המטרה של מוליבדן והפקיד את המתכת למשך 30 שניות.
ודא שתפוקת הכוח נשארת קבועה לאורך כל התצהיר. לאחר סיום ההתזה, הנח את המצע במחזיק דגימה של ליטר כשסרט המתכת פונה כלפי מעלה. הגדר את המצע במרכז אזור החימום של תנור צינור מכויל.
מניחים 1.5 גרם אבקת גופרית בסירת חימום אלומינה. הנח את הסירה שני סנטימטרים במעלה הזרם של אזור החימום כך שטמפרטורת הגופרית תהיה 120 מעלות צלזיוס כאשר המצע יגיע ל 800 מעלות צלזיוס. סגור ושאב את התנור לחמש פעמים 10 לשלושת הטורים השליליים.
לאחר מכן, הזרימו גז ארגון דרך התנור במהירות של 130 מיליליטר לדקה. ודא שלחץ התנור מתייצב על 0.7 טורים. רמפה את התנור מטמפרטורת החדר ל 800 מעלות צלזיוס ב -20 מעלות צלזיוס לדקה.
החזק את התנור על 800 מעלות צלזיוס עד שהגופרית התאדה במלואה. לאחר מכן, כבו את חום התנור ואפשרו למצע להתקרר לטמפרטורת החדר תחת זרימת ארגון. לאחר מכן, הרכיב את המצע במערכת התזת RF כאשר סרט המוליבדן דיסולפיד פונה למטרת הטונגסטן.
רססו טונגסטן מקרטע על המצע למשך 30 שניות תוך שימוש באותן הגדרות כמו עבור מוליבדן. הנח את המצע המצופה טונגסטן במרכז אזור חימום התנור וגרם אחד של אבקת גופרית שני סנטימטרים במעלה הזרם של אזור החימום. גופרית את סרט הטונגסטן באמצעות אותם פרמטרים כמו עבור סרט המוליבדן.
כדי להתחיל בהעברת הסרט הדק, יש לסובב שלוש טיפות של פולימתיל מתאקרילט על סרט דיכלקוגניד מתכת מעבר מוכן למשך 10 שניות כל אחת ב-500 ו-800 סיבובים לדקה. רפאו את ה-PMMA ב-120 מעלות צלזיוס למשך חמש דקות. לאחר מכן, הניחו את המצע המצופה PMMA בצלחת פטרי מלאה במים נטולי יונים.
השתמש בפינצטה עם קצוות עגולים ושטוחים כדי לקלף בזהירות פינה אחת של ה-PMMA עם סרט ה-TMD המצורף מהמצע. העבירו את המצע לתמיסת אשלגן הידרוקסיד מימית טוחנת אחת המחוממת ל -100 מעלות צלזיוס. מקלפים לאט ובזהירות את כל סרט ה-PMMA TMD מהמצע באמצעות פינצטה.
קחו את סרט ה-PMMA TMD מתמיסת האשלגן הידרוקסיד עם מצע ספיר נקי נוסף כשהצד המלוטש פונה לסרט. העבירו את הסרט לכוס מים נטולי יונים. העבירו את הסרט למים טריים נטולי יונים שלוש פעמים נוספות באותו אופן, כדי להבטיח ששאריות אשלגן הידרוקסיד יוסרו לחלוטין.
לאחר מכן, השג סיליקון דו חמצני מסוג P בעובי 300 ננומטר על מצע סיליקון בדוגמת אלקטרודות טיטניום או זהב. טבלו את המצע המעוצב בכוס הסופית של מים נטולי יונים והצמידו בזהירות את סרט ה-TMD למצע. אופים את המצע עם הסרט המצורף בחום של 100 מעלות צלזיוס למשך שלוש דקות כדי לאדות את המים.
כסו את משטח המצע ב-PMMA כדי להבטיח שהסרט מחובר היטב למצע. יבש את המצע בארון ייבוש אלקטרוני למשך שמונה שעות. לאחר מכן, הסר את שכבת ה-PMMA והשתמש בפוטוליתוגרפיה ובתחריט יונים תגובתי כדי לייצר טרנזיסטור הטרו-מבנה TMD.
מנגנון הגופרית של מוליבדן נבדק באמצעות HRTEM. בתנאים עשירים בגופרית, הגופרית החליפה במהירות את החמצן של תחמוצות המוליבדן, ובסופו של דבר יצרה סרט אחיד עם מספר שכבות הניתן לשליטה. הפרדה והתלכדות של תחמוצת מוליבדן הייתה מנגנון הצמיחה המוקדם הדומיננטי בתנאים של מחסור בגופרית.
ספקטרוסקופיה של רמאן של סרטי מוליבדן דיסולפיד וטונגסטן דיסולפיד בודדים הראתה כל אחד שתי פסגות אופייניות. HRTEM הראה חמש שכבות מוליבדן דיסולפיד וארבע שכבות טונגסטן דיסולפיד. שקיעת מתכת רציפה הביאה למבנה הטרו-אנכי של טונגסטן דיסולפיד מוליבדן דיסולפיד.
שתי קבוצות הפסגות האופייניות ניכרו בספקטרום הראמן. היווצרות מבנה הטרו-מבנה אנכי של TMD נתמכה על ידי תחריט אטומי חוזר ונשנה של שכבות טונגסטן דיסולפיד בודדות עד שנותר רק מוליבדן דיסולפיד. טרנזיסטור המיוצר עם מבנה הטרו-הטרו-מבנה יחיד של טונגסטן דיסולפיד מוליבדן דיסולפיד הראה זרם ניקוז גדול משמעותית בהשוואה לטרנזיסטור המיוצר עם מוליבדן דיסולפיד בלבד.
לטרנזיסטור ההטרו-מבנה היחיד היה ערך ניידות אפקט שדה גבוה יותר, שיכול היה להיות תוצאה של הזרקת אלקטרונים מטונגסטן דיסולפיד למוליבדן דיסולפיד ומערוצים עם ריכוזי אלקטרונים גבוהים יותר בשיווי משקל תרמי. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד להשתמש בציוד ובנהלים המוצגים כדי ליצור בקלות מבנים הטרו-ממדיים אנכיים של חומרים דו-ממדיים עבור יישומי מכשירים שונים. בעת שימוש בפרוטוקול זה, עליך רק לייעל את כוחות המקרטע, זמני המיקום וטמפרטורות ההפרדה עבור הציוד שלך כדי להשיג חומרים דו-ממדיים ומבנים הטרוסקופים באיכות גבוהה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג שיטה הניתנת לשחזור לייצור סרטי דיכלקוגנידים של מתכיות מעבר (TMD) אחידים בשטח רחב, ובייחוד MoS2 ו-WS2, על מצעי ספיר על ידי סולפריזציה של סרטי מתכות מעבר. הפרוטוקול מאפשר בקרה מדויקת על מספר השכבות הדו-ממדיות ומקל על יצירת הטרו-מבנים אנכיים של WS2/MoS2, המראים ביצועי טרנזיסטור משופרים בהשוואה למכשירים המבוססים על חומר בודד.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדע החומרים
- ננוטכנולוגיה
- פיזיקה של רכיבים
רקע
- דיכלקוגנידים של מתכות מעבר (TMDs) הם חומרים דו-ממדיים מבטיחים ליישומים אלקטרוניים ואופטואלקטרוניים.
- בקרת מספר השכבות ואחידות בשטח רחב הן קריטיות עבור אינטגרציה של התקנים.
- הטרו-מבנים אנכיים של TMDs יכולים להציע תכונות אלקטרוניות מעולות.
- נדרשות שיטות ייצור פשוטות וניתנות להרחבה עבור יישומים מעשיים.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה פשוטה ובקרה לגידול סרטי TMD בשטח רחב עם שליטה מדויקת במספר השכבות.
- הקמת הטרוסטרוקטורות אנכיות של WS2/MoS2 באמצעות סולפוריזציה רצפית.
- הערכת הביצועים האלקטרוניים של התקנים המבוססים על הטרוסטרוקטורות אלו.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- טרפוטור (Sputtering) ב-RF של שכבות מוליבדן וטונגסטן על מצעי ספיר.
- סולפיזציה של שכבות מתכת בתנור צינור תחת תנאי גופרית מבוקרים.
- העברת שכבות באמצעות פולימתיל מתאקרילט (PMMA) ותקיפת פוטסיום הידרוקסיד.
- ייצור טרנזיסטורי שער תחתון (bottom-gate transistors) באמצעות פוטוליתוגרפיה ותקיצה יונית רב-פעמית (RIE).
- אפיון באמצעות ספקטרוסקופיית רמן ומיקרוסקופיית אלקטרונים חודרת ברזולוציה גבוהה (HRTEM).
תוצאות עיקריות
- הושגו סרטים של MoS2 ו-WS2 אחידים בשטח גדול עם מספר שכבות שניתן לשליטה.
- זוהו שני מנגנוני גידול נבדלים: גידול TMD מישורי בתנאים עשירים בגופרית והפרדה של תחמוצת Mo בתנאים דלים בגופרית.
- הוכנו בהצלחהBהטרו-מבנים אנכיים של WS2/MoS2 ואלו אומתו באמצעות Raman ו-HRTEM.
- טרנזיסטורים המבוססים על ההטרו-מבנה הפגינו זרמי דראין וניידות אפקט-שדה גבוהים יותר בהשוואה להתקנים המבוססים על MoS2 בלבד.
מסקנות
- טכניקת הסולפוריזציה המתוארת מאפשרת ייצור בקנה מידה רחב של סרטי TMD ומבני הטרוגנאה באיכות גבוהה.
- ניתן לשלוט במדויק במספר השכבות על ידי התאמת עובי סרט המתכת.
- מבני הטרוגנאה אנכיים של TMD משפרים משמעותית את ביצועי ההתקן, מה שמדגיש את הפוטנציאל שלהם ליישומים מעשיים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
ייצור מדויק של הטרו-מבנים של גבישים דו-ממדיים אחידים בשטח רחב, כגון WS22/MoS2 מאפשר בניית אב-טיפוס מתקדמת של מכשירים וסריקת חומרים בשלבים מוקדמים של מחקר ופיתוח בביופארמה&ד. בקרת מספר השכבות והשחזוריות תומכות בפיתוח של חיישנים ביולוגיים ופלטפורמות אלקטרוניות מהדור הבא לסריקה בתפוקה גבוהה. גישה ניתנת להרחבה זו מחזקת את הביטחון החזוי בביצועי המכשיר ומאיצה את תהליכי המחקר התרגומי.
יישומים אסטרטגיים במחקר ובפיתוח של ביו-פארמה&ד'
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר הערכה שיטתית של ממשקי חומרים דו-ממדיים לצורך פיתוח ביו-חיישנים ומכשירי אבחון.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי מתן אפשרות למחקרים מבוקרים של הובלת אלקטרונים ותופעות ממשקיות.
- מסייע בחקירה מונחית-השערות של תכונות חומרים הרלוונטיות ליישומים ביו-אלקטרוניים.
סריקה ופיתוח בדיקות
- מספק תת-מצעים בעלי שטח רחב וניתנים לשחזור לצורך שילוב בפלטפורמות של בדיקות רב-ערוציות (multiplexed assay platforms).
- מבטיח פלטי מכשיר כמותיים וסטנדרטיים באמצעות בקרה אחידה של השכבה.
- מאיץ את סריקת השילוביים של חומרים ומכשירים להשגת העברה אופטימלית של אותות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מאפשר ייצור של התקני אב-טיפוס לצורך תיקוף פרה-קליני של קונספטים של חיישנים ביולוגיים או אבחון.
- תומך ברציפות משלב גילוי החומרים ועד לבדיקת התקן הפונקציונלי במערכות הרלוונטיות למחלה.
- מפחית את הסיכון בקידום ארכיטקטורות של התקנים חדשניים לעבר נקודות קצה טרנסלציוניות.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
שיטת הייצור זו, המבוססת על סולפוריזציה, מתאימה לשלבים החל מגילוי ראשוני ועד לבניית אב-טיפוס של התקנים, ותומכת בזיהוי מובילים (leads) ובהערכה פרה-קלינית של פלטפורמות ביו-אלקטרוניות.
- ביולוגיה של גילוי: מאפשרת בדיקת היפותזות לגבי תכונות של חומרים דו-ממדיים והשפעתם על תפקוד המכשיר.
- סריקה: מספקת פלטי מכשיר כמותיים וניתנים לשחזור לצורך ניתוח השוואתי.
- אנליטיקה: מאפשרת מדידה חסונה של פרמטרים אלקטרוניים ומבניים באמצעות Raman ו-HRTEM.
- מחקר תרגומי: מגשרת בין סינתזת חומרים לבין תיקוף ברמת המכשיר בהקשרים ביולוגיים רלוונטיים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה ניתנת להרחבה ולהתאמה לפיתוח מתמשך של מכשירים ומערכי בדיקה.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי בביצועי המכשיר ובבחירת החומרים.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה של הייצור לצורך הדירות ויכולת הרחבה בין צוותי מחקר ופיתוח (R&D).
- ערך אסטרטגי: מספק בסיס להחלטות של קידום או עצירה (go/no-go) עבור קונספטים של מכשירים ומפחית סיכון טכני בשלבים מאוחרים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף מותאם-סיכון של מועמדים למכשירים ובדיקות (assays) לצורך קידומם.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בהשקעת שכבות דקות, גופריתציה (sulfurization) ומיקרו-פבריקציה של התקנים.
- דורש גישה למערכת התזה (sputtering) ב-RF, כבש שפופרתי וכלי אפיון מתקדמים (Raman, HRTEM).
- דורש סטנדרטיזציה של פרמטרי התהליך בין צוותים לצורך הדירות (reproducibility).
- ניתן להתאמה למערכות שונות של חומרים דו-ממדיים באמצעות אופטימיזציה של תנאי ההשקעה והגופריתציה.
- האיכות והאחידות תלויות בשליטה מדויקת בסביבת הגופריתציה ובעובי השכבה.
