Путем "выдавливания" тонкой капли жидкого галлия графеновые устройства окрашиваются защитным покрытием из стекла, оксида галлия.

Этот оксид удивительно тонкий, менее 100 атомов, но при этом охватывает масштабы шириной в сантиметр, что делает его потенциально применимым для промышленного крупномасштабного изготовления. Современные 2-нм транзисторы frontier от IBM используют вентили аналогичной толщины, близкие к 10 нм (140 атомов).

"Механическая передача нанолистовых материалов такой большой площади является совершенно новой", - говорит ведущий автор Мэтью Геберт.

Оксид обеспечивает новый метод защиты устройства, одновременно повышая производительность устройства:

"Оксид не только улучшает и защищает наши устройства при первом переносе, но и позже, во время последующей обработки и изготовления", - говорит соавтор Семонти Бхаттачария.

Повышенные характеристики оксида галлия частично обусловлены диэлектрическими свойствами материала с высоким содержанием K, что является ключевым компонентом на пути к миниатюризации устройств и снижению потерь энергии.

Защитный оксид галлия также дает удивительный результат, снижая электрическое сопротивление графена, вызванное тепловыми колебаниями из-за тепла в окружающих материалах.

"Это удивительно, потому что, по сути, мы фактически добавляем дополнительный вибрации, чтобы уменьшить весь вибрации", - говорит Мэтт.

Это первый случай, когда такая стратегия снижения сопротивления из-за тепловых колебаний была продемонстрирована в графеновом устройстве.

ЗАЩИТА ОТ ВРЕДНОЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Команда Монаша из Центра передового опыта ARC в области технологий низкоэнергетической электроники будущего (FLEET) использовала новую технологию печати на жидком металле для создания оксида галлия (Ga₂O₃) стекло. Этот метод был разработан сотрудниками FLEET из RMIT, которые использовали новое стекло в различных приложениях электроники.

Стеклянная пленка, которая образуется на поверхности капель жидкого металлического галлия, более чем в 5000 раз тоньше человеческого волоса, но может быть надежно "отпечатана" с поверхности жидкого металла, образуя однородные непрерывные слои на участках размером в сантиметр.

Жидкометаллический метод дает два преимущества для защиты устройств. Метод послойной печати предотвращает повреждение роста, в то время как перенесенный слой является хорошим барьером для дальнейшей обработки.

Инкапсуляция из оксида галлия не только обеспечивает защиту, но и может повысить производительность благодаря своим диэлектрическим свойствам с высоким K. Диэлектрики с высоким K было нелегко интегрировать с графеном, поскольку рост этих материалов часто включает бомбардировку высокоэнергетическими атомами.

Поскольку инкапсуляция оксида галлия является методом механического переноса ("подумайте о укладке вилочным погрузчиком", - говорит Мэтью Геберт), она принципиально отличается от альтернативных методов осаждения (таких как осаждение атомным слоем, испарение, распыление и осаждение из паровой фазы), которые имеют нежелательные свойства, такие как требования к высокой температуре.

Поскольку металлический галлий является жидким при температуре, близкой к комнатной (30^o C), этот процесс имеет много преимуществ для промышленного внедрения. Фактически, оксид галлия может быть использован в качестве буферного слоя перед дальнейшей обработкой с использованием этих других методов.

Команда Монаша продемонстрировала, что оксид галлия защищает графен от повреждения поверхности, протестировав свои графеновые устройства с помощью инструментов промышленного роста. Нанесение другого оксидного слоя повредило только непокрытые участки графена, в то время как участки, которые были покрыты оксидом галлия, сохранили свои качества.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЛОИ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

Электроизоляционные (диэлектрические) материалы особенно важны для функционирования транзисторов, микроскопических "переключателей", лежащих в основе электроники и вычислительной техники. Эти диэлектрические материалы позволяют транзистору включаться или выключаться без утечки питания, что, в свою очередь, позволяет вам использовать свой телефон / ПК.

Чтобы "переключить" транзистор, электроны накапливаются на диэлектрическом материале, создавая напряжение и воздействуя на устройство. Однако более тонкие диэлектрики пропускают ток, снижая способность к переключению, и расходуют ток в виде тепла. Диэлектрики с высоким K важны, поскольку они повышают эффективность переключателя, позволяя уменьшить утечку тока и, следовательно, потери энергии.

Однако даже диэлектрические устройства с высоким K не являются невосприимчивыми к размерам. Поскольку электронные материалы становятся все меньше и тоньше по мере того, как мы неуклонно продвигаемся к втискиванию большего количества транзисторов (в соответствии с законом Мура), на материалы сильно влияют поверхности соседних материалов, что часто приводит к снижению производительности. Это объясняет, почему графен часто повреждается диэлектриками с высоким содержанием K.

Одним из таких разрушающих явлений, которые происходят на поверхностях, являются вибрации материала.

ВИБРАЦИИ И ПРЕИМУЩЕСТВО ОКСИДА ГАЛЛИЯ

Колебания материалов из-за высокой температуры, которые вызывают электрическое сопротивление в материалах, называются фононами. Эти колебания (фононы) заставляют атомы в твердом теле колебаться, а текущие электроны отражаются от этих колебаний и меняют свое направление, что приводит к электрическому сопротивлению.

Тепловые колебания атомов углерода в самом графене вызывают удивительно небольшое сопротивление, что является одной из причин, почему графен является таким полезным материалом для электроники.

Однако тонкая природа графена (толщиной всего в один атом) означает, что тепловые колебания в окружающий (удаленные) материалы могут оказывать большое влияние на электроны в графене, и они являются основной причиной электрического сопротивления в графене при комнатной температуре.

По мере повышения температуры возбуждается все больше фононов, увеличивая сопротивление за счет рассеяния электронов.

"Вы можете думать об этом сценарии как о заборе", - объясняет Мэтт Геберт, который является кандидатом наук в Университете Монаш / ФЛИТ.

"На забор (2D-графен) влияют действия соседей с обеих сторон (изоляционные материалы по обе стороны графена). У одного соседа может быть чистая окружающая среда по их сторону забора (хороший изолятор с небольшим количеством фононов), но у другого соседа может быть заросший сад, который повреждает забор (плохой изолятор с сильными фононами) "

"Итак, в конце концов, ваш забор (графен) не служит той цели, для которой он был предназначен, возможно, даже больше не образует полноценного ограждения (электронной схемы)!"

Чтобы исследовать защитные свойства оксида галлия, команда механически перенесла большие площади на графеновые устройства.

Последующие измерения подтвердили, что электронные свойства графена при различных температурах и заселенности электронами сохраняются, то есть сохраняется высокая подвижность электронов (очень полезное свойство транзистора).

"Удивительно, но добавление слоя Ga₂O₃ стекло уменьшает электрическое сопротивление графена, возникающее из-за рассеяния фононов", - объясняет Мэтт.

(Это верно в целевом диапазоне температур, который немного ниже комнатной температуры.)

"Это противоречит интуиции, потому что, добавляя этот материал, вы вводите дополнительные фононы. Итак, вы можете подумать: чем больше фононов, тем выше, как мы ожидаем, будет сопротивление!"

Однако эти результаты согласуются с существующими теориями фононов в изоляторах. Га₂O₃ содержит сильные фононы, но это же свойство также позволяет ему регулировать свою собственную атомную конфигурацию, чтобы "экранировать" электрическое поле от фононов в стекле из диоксида кремния с другой стороны графена.

Еще больше помогая ситуации, сильная Га₂O₃ фононы - это моды, для заполнения которых требуется высокая энергия. В результате, Га₂O₃ фононы становятся активными только при более высоких температурах (с большей тепловой энергией), и это приводит к снижению общего сопротивления графена до температуры -53^oC (220 K). Оксид галлия улавливает (только) хорошие вибрации.

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УСТРОЙСТВА.

Эта стратегия, направленная на снижение общего содержания фононов, демонстрируется впервые и может быть использована для определения более эффективных гибридных материалов при комнатной температуре для 2D-электроники.

Аналогичный диэлектрический материал с более высокоэнергетическими фононными модами, чем Ga₂O₃ мог бы хорошо сотрудничать с существующими кремниевыми технологиями, которые в настоящее время приближаются к своим квантовым пределам.

Технология печати на жидком металле является универсальным методом для промышленных партнеров. Процесс сенсорной печати Ga₂O₃ масштабируется до размеров больших пластин, легко автоматизируется и демонстрирует хорошую воспроизводимость, что свидетельствует о его преимуществах для применения в промышленности.

Металлический галлий, который плавится при температуре около 30^oC и оборудование для переноса также недороги по сравнению с другими методами осаждения оксида, которые требуют большого количества материала или сильно повышенных температур.