So einfach wie Aufkleber: Neue Folie verbessert Übertragung von 2D-Materialien
2D-Materialien wie Graphen oder Dichalkogenide von Übergangsmetallen (Transition-metal dichalcogenides, TMDs) sind vielversprechende Kandidaten für leistungsfähigere Halbleiter . Im Vergleich zum etablierten Siliziumprozess sind sie allerdings in der Fertigung deutlich komplizierter. Das liegt auch daran, dass die dünnen Schichten in den meisten Fällen nicht direkt auf dem Substrat wachsen, auf dem dann einmal der Halbleiter gefertigt wird. Darauf müssen sie von einem Wachstumssubstrat übertragen werden, was zu Schäden und Verunreinigungen führt.
Diesen Prozess haben Forscher der Kyushu-Universität im japanischen Fukuoka deutlich verbessert(öffnet im neuen Fenster) . Sie haben zusammen mit dem Unternehmen Nitto Denko(öffnet im neuen Fenster) Transferfolien entwickelt, die mit einer Mischung aus Monomeren beschichtet sind. Die haften über Van-der-Waals-Kräfte(öffnet im neuen Fenster) am zu übertragenden 2D-Material, das nun vom Wachstumssubstrat abgelöst werden kann. So weit ist das nichts Besonderes, die aktuell genutzten Transfermethoden, etwa mit Polymerfolien, funktionieren nach dem gleichen Prinzip.
Der große Unterschied kommt beim Ablösen: Die neue Folie kann, nachdem das 2D-Material auf den Ziel-Wafer aufgebracht und erhitzt wurde, einfach abgezogen werden. Die Polymerfolien hingegen werden aufgelöst, was laut einer Veröffentlichung der Forscher im Fachmagazin Nature Electronics(öffnet im neuen Fenster) zu Verunreinigungen durch Rückstände führt. Zudem komme es, so die Forscher, beim Transfer mit Polymerfolie ebenso wie beim Einsatz sogenannter Thermal Release Tapes regelmäßig zu Brüchen und Löchern im 2D-Material. Alle diese Effekte verschlechtern dessen elektrische Eigenschaften. Zudem können dickere und damit stabilere Folien verwendet werden, was Brüchen vorbeugt.
KI-Kleber für jedes Material
Zentral für die Funktionalität der neuen Folie ist der Kleber: Um eine optimale Haftung zu erreichen, sind die Monomer-Mischungen an das jeweils zu übertragende 2D-Material angepasst. Für die Zusammenstellung der Mischungen verwendeten die Forscher ein KI-Modell.
Allen gemeinsam ist, dass sie durch Belichtung mit UV-Licht zu Dimeren vernetzen. Das erfolgt nach dem Auflegen auf das Wachstumssubstrat und erhöht nicht nur die Steifigkeit der Folie. Gleichzeitig verringert der Prozess die Haftung am zu übertragenden Material, da weniger Bindungsmöglichkeiten existieren. Das ist zentral dafür, dass die Folie später abgezogen werden kann. Neben Graphen haben die Forscher Transferfolien für das TMD Wolframdiselenid, das etwa das 3D-Stacking von Transistoren ermöglicht , sowie Bornitrid(öffnet im neuen Fenster) , das ausgezeichnete Eigenschaften als Isolator, Wärmeleiter und Dielektrikum besitzt, entwickelt.
Übertragen lassen sich die 2D-Materialien dann auf eine Reihe von Oberflächen, neben einem Silizium-Wafer demonstrieren die Forscher eine Tasse (Keramik) und ein Brillenglas. Sogar eine Übertragung auf Polymere ist möglich, da kein Lösungsmittel zum Entfernen des Trägers erforderlich ist, was diese angreifen würde. Damit lassen sich etwa Sensoren für Terahertz-Strahlung herstellen, die etwa zur medizinischen Bildgebung oder an Flughäfen für Detektoren verwendet wird.
Die Forscher erwarten, dass sich mit ihrem Verfahren günstige und leicht einzusetzende Aufkleber mit 2D-Materialien herstellen lassen. Bislang können sie diese von maximal 4 Zoll großen Substraten ablösen, was noch verbessert werden soll. Dazu müssen Knicke und Blasen vermieden werden. Die Folie kann anschließend zu beliebig großen Stücken zugeschnitten werden. Die sollen andere Forschergruppen perspektivisch kaufen und aufbringen können, um einfach und schnell Oberflächen mit qualitativ hochwertigen 2D-Materialien herzustellen.
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