Исследователи из Государственного университета Северной Каролины разработали новый метод создания тонких высококачественных полупроводниковых пленок на атомном уровне. Они научились создавать пленки толщиной всего в один слой атомов, но достаточно широких, способных покрыть пластины шириной в два дюйма и более.
“Это достижение может привести к тому, что технологии, применяемые в полупроводниковой технике (лазеры, светоизлучающие диоды, компьютерные чипы) также перейдут на атомный уровень работы”, – сказал доктор Линью Цао (Linyou Cao), доцент кафедры материаловедения и инженерии штата Северная Каролина и главный автор научной статьи. – Люди давно говорили о важности работы на атомном уровне, но до сих пор это было невозможно. С этим открытием, я думаю, появляется такая возможность”.
Исследователи работали с сульфидом молибдена (MoS2), недорогим полупроводниковым материалом с электронными и оптическими свойствами, аналогичными свойствам материалов, уже используемых в полупроводниковой промышленности. Тем не менее, MoS2 отличается от других полупроводниковых материалов, поскольку его можно “вырастить” в виде слоя толщиной всего в один атом, без изменения его свойств.
В процессе исследовательской работы, ученые поместили серу и хлорид молибдена, оба в порошкообразном виде, в печь. Затем они постепенно повысили температуру до 850 градусов Цельсия, при которой порошок стал испаряться, а два вещества начали реагировать с образованием соединения MoS2. При этой высокой температуре, пар осаждался на подложку в виде тонкого слоя.
“Ключом к нашему успеху в процессе исследования механизма роста стало открытие явления «самоограничения роста»”, – сказал Цао. Исследователи могли точно контролировать толщину слоя MoS2, регулируя парциальное давление и общее давление пара в печи. Парциальное давление атомов или молекул, взвешенных в воздухе, связано с процессом перехода их в твердое состояние и оседания на подложку. Общее же давление пара определяет процессы испарения атомов или молекул и переход их из твердого состояния в воздух.
Ученые установили, что чтобы создать один слой MoS2 на поверхности, парциальное давление должно быть выше, чем давление пара, причем, чем выше парциальное давление, тем больше слоев MoS2 оседает на подложке. Если парциальное давление таково, что оно выше, чем давление пара соответствующее одному слою атомов на подложке, но не выше, чем давление пара для двух слоев, то такой баланс между парциальным давлением и давлением пара приводит к тому, что рост тонкой пленки автоматически останавливается, с образованием одного единственного слоя. Это явление Цао назвал “самоограничением роста”.
Парциальное давление регулировалось путем изменения количества хлорида молибдена в печи – чем больше было этого соединения в печи, тем выше было парциальное давление. “Используя эту технику, мы можем создавать «вафли» из тонких слоев MoS2, толщиной всего в один атом, каждый раз, – сказал Цао. – Мы можем также создавать слои толщиной в два, три или четыре атома”.
Команда Цао в настоящее время пытается найти пути для создания тонких пленок, в которых каждый атомный слой сделан из другого материала, и, тем самым, найти возможность применения разработанной ими технологии в производстве полевых транзисторов и светодиодов. Цао подал заявку на патент на новую технологию. Информация о достижении ученых опубликована 21 мая 2013 года в сетевом журнале «Scientific Reports», издательской группы «Nature».
