Un bouclier pour les matériaux 2D qui ajoute des vibrations pour réduire les problèmes de vibration

Les chercheurs de l’Université Monash ont démontré une nouvelle façon contre-intuitive de protéger l’électronique atomiquement mince – en ajoutant des vibrations, pour réduire les vibrations.

En “pressant” une fine gouttelette de gallium liquide, les dispositifs de graphène sont recouverts d’une couche protectrice de verre, l’oxyde de gallium.

Cet oxyde est remarquablement mince, moins de 100 atomes, mais couvre des échelles centimétriques, ce qui le rend potentiellement applicable à la fabrication industrielle à grande échelle. Les transistors frontières “2nm” actuels d’IBM utilisent des grilles d’épaisseur similaire, proche de 10nm (140 atomes).

“Le transfert mécanique de ces nanofeuilles de grande surface est assez nouveau”, déclare l’auteur principal Matthew Gebert.

L’oxyde fournit une nouvelle méthode de protection de l’appareil, tout en améliorant les performances de l’appareil :

“L’oxyde améliore et protège non seulement nos appareils lorsque nous les transférons pour la première fois, mais aussi plus tard, lors du traitement et de la fabrication ultérieurs”, déclare le co-auteur Semonti Bhattacharyya.

L’amélioration des performances de l’oxyde de gallium est due en partie à la haute teneur en K du matériau propriétés diélectriquesun élément clé de la longue marche vers la miniaturisation des appareils et la réduction du gaspillage d’énergie.

L’oxyde de gallium protecteur donne également un résultat surprenant, réduisant la résistance électrique du graphène causée par les vibrations thermiques dues à la chaleur dans les matériaux environnants.

“C’est surprenant car nous ajoutons en fait des vibrations supplémentaires, pour réduire les vibrations totales”, déclare Matt.

C’est la première fois qu’une telle stratégie de réduction de la résistance due aux vibrations thermiques est démontrée dans un dispositif au graphène.

Protection contre un environnement nuisible

L’équipe Monash du Centre d’excellence ARC sur les futures technologies électroniques à faible consommation d’énergie (FLEET) a utilisé une nouvelle technique d’impression sur métal liquide pour créer de l’oxyde de gallium (Ga₂O₃) verre. Cette méthode a été conçue par les collaborateurs de FLEET au RMIT, qui ont utilisé le nouveau verre dans une variété d’applications électroniques.

Le film de verre qui se forme à la surface des gouttelettes de gallium métal liquide est plus de 5 000 fois plus fin qu’un cheveu humain, mais peut être “imprimé” de manière fiable à partir de la surface du métal liquide pour former des couches continues uniformes sur des zones centimétriques.

La méthode du métal liquide offre deux avantages pour protéger les appareils. La méthode d’impression en couches empêche les dommages de croissance, tandis que la couche transférée est une bonne barrière pour un traitement ultérieur.

L’encapsulation à l’oxyde de gallium offre non seulement une protection, mais peut également améliorer les performances en raison de ses qualités diélectriques High-K. Les diélectriques à K élevé n’ont pas été faciles à intégrer au graphène, car la croissance de ces matériaux implique souvent le bombardement d’atomes hautement énergétiques.

Comme l’encapsulation à l’oxyde de gallium est une technique de transfert mécanique (“pensez à l’empilage par chariot élévateur”, explique Matthew Gebert), elle est fondamentalement différente des méthodes de dépôt alternatives (telles que dépôt de couche atomiqueévaporation, pulvérisation cathodique et dépôt en phase vapeur) qui ont des attributs indésirables tels que des exigences de température élevée.

Parce que le gallium métal est liquide proche de la température ambiante (30 degrés C), ce procédé présente de nombreux avantages pour une adoption industrielle. En fait, l’oxyde de gallium peut être utilisé comme couche tampon avant un traitement ultérieur à l’aide de ces autres méthodes.

L’équipe de Monash a démontré que l’oxyde de gallium protégeait le graphène des dommages de surface en testant leurs dispositifs de graphène avec des outils de croissance industriels. Le dépôt d’une autre couche d’oxyde n’a endommagé que les zones non recouvertes de graphène, tandis que les zones recouvertes d’oxyde de gallium ont conservé leurs qualités.

Les couches diélectriques et leur importance en informatique

Les matériaux électriquement isolants (diélectriques) sont particulièrement importants dans la fonction des transistors, les “commutateurs” microscopiques au cœur de l’électronique et de l’informatique. Ces matériaux diélectriques permettent à un transistor de s’allumer ou de s’éteindre sans fuite de courant, ce qui vous permet à son tour d’utiliser votre téléphone/PC.

Pour “commuter” un transistor, les électrons s’accumulent à travers le matériau diélectrique pour créer une tension et influencer le dispositif. Cependant, des diélectriques plus minces laissent passer du courant, ce qui réduit la capacité de commutation et gaspille du courant sous forme de chaleur. Les diélectriques à K élevé sont importants car ils augmentent l’efficacité du commutateur, permettant une réduction des fuites de courant et par conséquent du gaspillage d’énergie.

Cependant, même les dispositifs diélectriques à K élevé ne sont pas insensibles à la taille. Au fur et à mesure que les matériaux électroniques deviennent plus petits et plus minces alors que nous progressons sans relâche vers l’entassement de plus de transistors (pour obéir à la loi de Moore), les matériaux deviennent fortement influencés par les surfaces des matériaux voisins, ce qui entraîne souvent une baisse des performances. Cela explique pourquoi le graphène est souvent endommagé par des diélectriques à K élevé.

L’un de ces phénomènes dégradants qui se produisent au niveau des surfaces est la vibration des matériaux.

Vibrations et avantage de l’oxyde de gallium

Les vibrations des matériaux dues à la chaleur, qui provoquent une résistance électrique dans les matériaux, sont appelées phonons. Ces vibrations (phonons) font osciller les atomes d’un solide, et les électrons en circulation rebondissent sur ces oscillations et changent de direction, ce qui entraîne une résistance électrique.

Les vibrations thermiques des atomes de carbone dans le graphène lui-même provoquent une résistance remarquablement faible, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles le graphène est un matériau si utile pour l’électronique.

Cependant, la nature mince du graphène (un seul atome d’épaisseur) signifie que les vibrations thermiques dans les matériaux environnants (distants) peuvent avoir un effet important sur les électrons dans le graphène, et ceux-ci sont la cause prédominante de la résistance électrique dans le graphène à température ambiante.

Lorsque les températures augmentent, davantage de phonons sont excités, augmentant la résistance en diffusant des électrons.

“Vous pouvez considérer ce scénario comme une clôture”, explique Matt Gebert, qui est titulaire d’un doctorat. candidat à l’Université Monash / FLEET.

“La clôture (le graphène 2D) est affectée par les actions des voisins des deux côtés (les matériaux isolants de chaque côté du graphène). Un voisin peut avoir un environnement propre de son côté de la clôture (un bon isolant, avec peu de phonons ) mais l’autre voisin a peut-être un jardin envahi qui endommage la clôture (un mauvais isolant avec de forts phonons)…”

“Donc, au final, votre clôture (graphène) ne sert plus à quoi elle était destinée, peut-être même ne forme-t-elle plus une clôture complète (circuit électronique).”

Pour étudier les qualités protectrices de l’oxyde de gallium, l’équipe a transféré mécaniquement de grandes surfaces sur des dispositifs au graphène.

Des mesures ultérieures ont confirmé que les propriétés électroniques du graphène à différentes températures et populations d’électrons étaient maintenues, c’est-à-dire qu’une mobilité électronique élevée (une propriété très utile d’un transistor) est préservée.

“Étonnamment, l’ajout de la couche de Ga₂O₃ le verre réduit la résistance électrique dans le graphène qui est dû à phonons diffusion », explique Matt. (Cela est vrai dans une plage cible de températures, qui est légèrement inférieure à la température ambiante.)

“C’est contre-intuitif, car en ajoutant ce matériau, vous introduisez des phonons supplémentaires. Vous pourriez donc penser : plus il y a de phonons, plus nous nous attendons à ce que la résistance soit élevée.”

Cependant, ces résultats sont en accord avec les théories existantes des phonons dans les isolants. Géorgie₂O₃ héberge des phonons puissants, mais cette même propriété lui permet également d’ajuster sa propre configuration atomique pour “écranter” le champ électrique des phonons dans le verre de dioxyde de silicium de l’autre côté du graphène.

Aider davantage la situation, la forte Ga₂O₃ les phonons sont des modes qui nécessitent une énergie élevée pour se peupler. En conséquence, Ga₂O₃ les phonons ne deviennent actifs qu’à des températures plus élevées (avec plus d’énergie thermique) et cela se traduit par une résistance globale plus faible dans le graphène jusqu’à une température de -53 degrés C (220 K). L’oxyde de gallium capte (seulement les) bonnes vibrations.

De nouvelles voies vers les performances des appareils

Cette stratégie, visant à réduire le contenu global en phonons, est démontrée pour la première fois et pourrait être utilisée pour identifier des matériaux hybrides plus performants à température ambiante pour l’électronique 2D.

Un matériau diélectrique similaire avec des modes phonons à plus haute énergie que Ga₂O₃ pourrait bien s’associer aux technologies de silicium existantes, qui sont actuellement poussées à leurs limites à l’échelle quantique.

La technique d’impression au métal liquide est une méthode polyvalente pour les partenaires industriels. Le processus d’impression tactile Ga₂O₃ échelles à de grandes surfaces à l’échelle de la plaquette, est très automatisable et a montré une bonne reproductibilité, indiquant son mérite pour l’adoption de l’industrie.

Le gallium métal, qui fond à environ 30 degrés C, et l’équipement de transfert sont également peu coûteux par rapport à d’autres méthodes de dépôt d’oxyde qui nécessitent de grandes quantités de matériau ou des températures très élevées.

” Passivant graphène et suppression de la diffusion interfaciale des phonons avec du Ga transféré mécaniquement₂O₃” a été publié dans Nano-lettres.