Kostengünstiges Verfahren Komplexe Elektronik aus 2D-Material schaffen

Forscher am Institut für Maschinenbau des MIT haben ein Verfahren entwickelt, um innerhalb weniger Minuten Schichten mit einem Durchmesser von 5 cm aus 2D-Material zu gewinnen.
Forscher am Institut für Maschinenbau des MIT haben ein Verfahren entwickelt, um innerhalb weniger Minuten Schichten mit einem Durchmesser von 5 cm aus 2D-Material zu gewinnen.

Schon viele Jahre versuchen Forscher, elektronische Bauelemente aus 2D-Heterostrukturen zu bauen. Nun haben Forscher des MIT einen kosteneffizienten Weg gefunden, großflächige Monoschichten aus 2D-Material zu ernten und zu stapeln. Ein Einsatzgebiet könnten etwa IoT-Sensoren sein.

Seit im Jahr 2003 das Graphen entdeckt wurde, besteht auch an anderen Arten solcher 2D-Materialien großes Interesse. Denn diese Materialien ließen sich wie Legosteine zu Komponenten mit unterschiedlichen Funktionen zusammenfügen, auch zu Halbleiterkomponenten. Denkbar wären damit ultradünne, flexible, transparente und tragbare elektronische Geräte.

Allerdings hat sich das Separieren des massiven kristallinen Ausgangsmaterials in 2D-Flocken im großtechnischen Maßstab als schwierig erwiesen. Der bestehende Prozess, bei dem einzelne Flocken durch wiederholtes Aufschlagen der Kristalle auf ein Klebeband abgespalten werden, ist unzuverlässig und erfordert viele Stunden, um genügend Material zu erhalten und ein elektronisches Bauteil bauen zu können.

Jetzt haben Forscher der Fakultät für Maschinenbau am Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein Verfahren entwickelt, um innerhalb weniger Minuten Schichten aus 2D-Material mit einem Durchmesser von 5 cm zu gewinnen. Diese lassen sich anschließend in etwa einer Stunde zu einem elektronischen Bauelement zusammenfügen. Dies berichten die Forscher unter der Leitung von Jeehwan Kim, einem Associate Professor am MIT, in einem Beitrag, der in der Zeitschrift Science erschienen ist.

Schichten einzeln abziehen

Zuerst züchteten die Forscher einen Stapel aus 2D-Ausgangsmaterial auf einem Saphirwafer. Anschließend brachten sie eine 600 nm dicke Nickelschicht auf die Oberseite des Stapels auf. Da diese 2D-Materialien viel stärker auf Nickel haften als auf Saphir, konnten die Forscher durch Abheben dieses Films den gesamten Stapel vom Wafer trennen. Außerdem haften die einzelnen Monoschichten des 2D-Materials an Nickel stärker als die einzelnen Monoschichten des 2D-Materials untereinander.

Dadurch konnten die Forscher durch Aufbringen einer zweiten Nickelschicht an der Unterseite des Stapels einzelne Monoschichten aus 2D-Material ablösen. Das liegt daran, dass das Ablösen der ersten Nickelschicht zu Rissen im Material führt, die sich bis zur Unterseite des Stapels ausbreiten. Sobald die erste Monoschicht, die durch den Nickelfilm abgetragen wurde, auf ein Substrat übertragen wurde, lässt sich der Prozess für jede Schicht wiederholen.

Die vielseitige und recht simple Technik eignet sich für eine Reihe verschiedener 2D-Materialien, darunter hexagonales Bornitrid, Wolframdisulfid und Molybdändisulfid. Auf diese Weise lassen sich aus 2D-Materialien verschiedene Arten von Materialien gewinnen wie Halbleiter, Metalle und Isolatoren, die dann zu den für ein elektronisches Bauelement benötigten 2D-Heterostrukturen aufgestapelt werden können.

»Wenn man elektronische und photonische Komponenten aus 2D-Materialien herstellt, werden diese nur wenige Monoschichten dick sein«, meint Kim und fügt hinzu: »Das Verfahren ist schnell und kostengünstig und eignet sich damit für den industriellen Einsatz«. Mit diesem Verfahren konnten die Forscher bereits erfolgreich Arrays von Feldeffekttransistoren herstellen, die nur wenige Atome dick sind.

Großes Potenzial für kostengünstige IoT-Sensorsysteme

»Die Arbeit hat das Potenzial, 2D-Materialien und ihre Heterostrukturen in reale Anwendungen zu bringen«, erklärt Philip Kim, Physik-Professor an der Harvard University, der nicht an der Forschung beteiligt war. Die Wissenschaftler planen nun, das Verfahren anzuwenden, um eine Reihe von elektronischen Bauelementen zu entwickeln, darunter eine nichtflüchtige Speichereinheiten und flexible Bausteine, die auf der Haut getragen werden können.

Sie sind auch daran interessiert, die Technik anzuwenden, um Produkte für den Einsatz im Internet der Dinge zu entwickeln, so Kim. »Alles, was zu tun ist, besteht darin, dicke Stapel von 2D-Materialien zu züchten und diese dann in Monoschichten zu isolieren und zu stapeln. Es ist also extrem preiswert ­– viel kostengünstiger als bestehende Halbleiterprozesse. Das ist ideal für IoT-Anwendungen, denn wenn man konventionelle Halbleiter für die deren Sensorsysteme verwenden würde, wäre es recht teuer.«

Originalpublikation

Jaewoo Shim, et al., Controlled crack propagation for atomic precision handling of wafer-scale two-dimensional materials, Science 11 Oct 2018, DOI: 10.1126/science.aat8126