Исследовательское партнерство между Penn State и Массачусетским технологическим институтом (MIT) может позволить улучшить метод создания нового типа полупроводника, который имеет толщину в несколько атомов и необычным образом взаимодействует со светом. Этот новый полупроводник может привести к новым вычислительным и коммуникационным технологиям, которые потребляют меньше энергии, чем современная электроника.

Новый тип полупроводника, селенид олова (SnSe), будет полезен для разработки нового типа электроники, известной как «фотоника», которая использует частицы света или фотоны для хранения, обработки и передачи информации. Традиционная электроника использует для этого электроны, а фотоника — фотоны. Селенид олова представляет собой бинарное соединение, состоящее из олова и селена в соотношении 1:1.

Материал имеет специфическое взаимодействие со светом, что дает ему большой потенциал для использования в электронике.

«Его можно описать как материал, который имеет два разных цвета, а это означает, что в зависимости от того, под какой ориентацией вы смотрите на него, вы увидите разный цвет», — сказал Воутер Мортельманс, научный сотрудник Департамента материаловедения и инженерии в Массачусетского технологического института и ведущий автор исследования. «Это своеобразное оптическое свойство может быть очень полезным для вычисления, хранения или передачи информации с использованием света».

По словам Мортельманса, чтобы использовать эти свойства, зависящие от ориентации, очень важно, чтобы изготовление материала производилось с контролем атомарной точности. Зависимость цвета от ориентации материала позволила бы быстрее и проще контролировать качество материала.

«Нам нужен надежный способ сделать материал, чтобы производить устройства по спецификации, не беспокоясь о случайных, естественных вариациях», — сказал Рафаэль Харамильо, доцент кафедры материаловедения и инженерии Томаса Лорда в Массачусетском технологическом институте и старший автор исследования, опубликованного в ACS  Нано.

Ключом к созданию такого точного бездефектного материала является процесс, который может быть сложным для атомарно тонких полупроводников, известный как эпитаксия.

«Эпитаксию можно представить как построение из лего, где интересующий материал разбивается на небольшие отдельные элементарные ячейки треугольных или прямоугольных кирпичиков лего», — сказала Мария Хилс, доцент-исследователь, тонкие пленки-MBE, с Penn Консорциум 2D-кристаллов Государственного института материаловедения (2DCC). «Основа представляет собой сверхчистую подложку из основного кристалла, которая позволяет размещать на ней кубики «Лего» определенной формы. Мы выбираем эту начальную подложку идеально, чтобы она идеально соответствовала кристаллической структуре материала, который мы которые мы хотим собрать, т. е. наши кубики Lego. ) поверхность.»

Исследование стало возможным отчасти благодаря исследовательским отношениям между Харамильо и 2DCC. 2DCC — это национальный пользовательский объект, поддерживаемый Национальным научным фондом, который занимается продвижением синтеза двумерных слоистых халькогенидов для электроники следующего поколения и квантовых технологий.

«Примерно половина экспериментальной работы была выполнена в 2DCC при непосредственном сотрудничестве докторов Мортельманс и Хильзе», — сказал Джарамилло. «Работа с 2DCC значительно расширила набор экспериментальных возможностей, с которыми мы могли работать, сделав этот проект гораздо более строгим и убедительным, чем он был бы в противном случае. В частности, ранние обсуждения с доктором Хилзе и другими были важны для мотивации и снижение рисков на работе».

В обязанности Хилзе в 2DCC входит установка для выращивания, где проводилась часть выращивания SnSe для исследования.

«2DCC позволил Воутеру приехать в штат Пенсильвания и пройти обучение у меня методу синтеза здесь, на месте, что позволило ему провести эксперименты, необходимые для этой публикации», — сказал Хилс. «Уникальные возможности 2DCC, а также мой надзор и опыт помогли накопить тот объем данных, на котором построена публикация».

Результаты, изложенные в исследовании этого партнерства, приносят пользу как исследователям, так и общественности. Для исследователей, по словам Мортельманса, это дает представление о производстве 2D-материалов.

«Мы разработали новый процесс эпитаксии для 2D-материала с контролем атомарной точности, который дает новое представление о том, как производить высококачественный 2D-материал», — сказал Мортельманс. «Изучение процессов эпитаксии 2D-материалов — относительно молодая область, в которой есть возможности для оптимизации. Благодаря новым знаниям, полученным в этой работе, мы надеемся внести дальнейший вклад в развитие процессов эпитаксии 2D-материалов».

Кроме того, исследователи разработали оригинальный метод структурной характеристики для измерения качества эпитаксиально выращенного 2D-материала.

«Этот быстрый и простой метод структурной характеристики применим ко всем материалам, которые имеют оптические свойства, зависящие от ориентации», — сказал Харамильо. «Этот метод может значительно сократить время и затраты на дальнейшую разработку таких материалов».

В свою очередь, широко распространенная фотонная технология, которую могли бы способствовать их исследования, будет иметь множество преимуществ для общества. Они варьируются от снижения энергопотребления для крупной электроники до недорогих датчиков окружающей среды для сельского хозяйства, мониторинга качества воздуха, общественного здравоохранения и транспорта, до компьютерного зрения и светочувствительного датчика для улучшения систем безопасности в беспилотных транспортных средствах.

«Фотоника обладает огромным потенциалом для снижения энергопотребления, особенно в крупных центрах обработки данных, которые являются крупными и растущими потребителями электроэнергии и, таким образом, ответственны за значительную долю парниковых газов, выделяемых при производстве электроэнергии», — сказал Джарамилло. «Поэтому в количественном отношении будущие вычисления на основе света могут замедлить глобальное потепление».

Учитывая, что новый производственный процесс, разработанный исследователями, является первым шагом к тому, чтобы сделать возможным хранение и передачу информации в SnSe с использованием света, Мортельманс сказал, что весьма вероятно, что исследователи Массачусетского технологического института вернутся к использованию оборудования и опыта 2DCC в будущем.

«У 2DCC есть отличные возможности для изготовления 2D-материалов и измерения ультратонких пленок после изготовления», — сказал Мортельманс. «Существует большой опыт во многих различных важных областях исследований и разработок 2D-материалов. Пока нет конкретных планов будущей работы в 2DCC, но связи устанавливаются, и всякий раз, когда появляется новая возможность для интересного сотрудничества, эти связи будут очень полезно.»