- 超薄的液态金属打印氧化物可以通过抑制振动阻力来提高晶体管的性能
- 与直觉相反，这是通过向系统中添加额外的声子(振动)来实现的
- 这种氧化物可以保护你的晶体管不被进一步加工
莫纳什物理和天文学院的团队:Semonti Bhattacharyya博士，Michael Fuhrer教授和主要作者Matt Gebert
莫纳什大学的研究人员展示了一种新的、反直觉的方法来保护原子薄的电子设备添加振动，减少振动。
通过“挤压”一小滴液态镓，石墨烯器件被涂上一层玻璃保护涂层——氧化镓。
这种氧化物非常薄，不到100个原子，但覆盖了厘米宽的尺度，这使得它有可能适用于工业大规模制造。目前,边境“2 nm”晶体管IBM使用了类似厚度的栅极，接近10纳米(140个原子)。
“机械转移如此大面积的纳米片是相当新颖的，”首席作者马修·格伯特说。
该氧化物提供了一种新的设备保护方法，同时还提高了设备性能:
液态金属轧制:如何机械地将保护性的大面积氧化镓转移到晶体管上。（点击下载MP4）
合著者Semonti Bhattacharyya说:“这种氧化物不仅在我们第一次转移时增强和保护我们的设备，而且在随后的加工和制造过程中也能增强和保护我们的设备。”
氧化镓增强性能的部分原因是该材料的高k介电性能，这是迈向器件小型化和减少功耗的长征中的关键组成部分。
保护性氧化镓还产生了一个令人惊讶的结果，降低了石墨烯中由周围材料的热振动引起的电阻。
“这令人惊讶，因为实际上我们实际上是在增加额外的振动，以减少总计振动，”马特说。
这是第一次在石墨烯器件中证明了这种降低热振动电阻的策略。
保护免受有害环境的伤害
“氧化物不仅在我们第一次转移时增强和保护我们的设备，而且在随后的加工和制造过程中也同样如此。——合著者Semonti Bhattacharyya博士(现就职于莱顿大学)
来自ARC未来低能电子技术卓越中心(FLEET)的莫纳什大学团队使用一种新的液态金属打印技术来制造氧化镓(Ga2O3.)玻璃。这种方法是由RMIT的FLEET合作者设计的，他们已经在各种电子应用中使用了这种新型玻璃。
在液态镓金属液滴表面形成的玻璃薄膜比人的头发丝还要薄5000多倍，但可以从液态金属表面可靠地“打印”出来，在厘米大小的区域上形成均匀的连续层。
液态金属方法在保护设备方面有两个优点。层印法可防止生长损伤，而转移层是进一步加工的良好屏障。
氧化镓封装不仅提供保护，而且还可以提高性能，因为它的高k介电质量。高k电介质与石墨烯集成并不容易，因为这些材料的生长通常涉及高能原子的轰击。
由于氧化镓封装是一种机械转移技术(Matthew Gebert说，“想想叉车堆叠”)，它与其他沉积方法(如原子层沉积、蒸发、溅射和气相沉积)有本质上的不同，后者具有诸如高温要求等不良属性。
由于金属镓在接近室温(30֯C)时是液态的，这种工艺在工业应用中有很多优点。事实上，在使用这些其他方法进一步加工之前，氧化镓可以用作缓冲层。
莫纳什大学的研究小组通过用工业生长工具测试石墨烯器件，证明了氧化镓可以保护石墨烯免受表面损伤。沉积另一层氧化层只会破坏石墨烯的裸露区域，而被氧化镓覆盖的区域则保留了它们的质量。
介电层及其在计算中的重要性
电绝缘(介电)材料在晶体管的功能中尤其重要，晶体管是电子和计算的核心，是微观的“开关”。这些介电材料允许晶体管在不漏电的情况下开关，从而允许你使用你的手机/电脑。
为了“开关”晶体管，电子在电介质材料上积聚，从而产生电压并影响器件。然而，更薄的介质会泄漏电流——降低开关能力——并将电流浪费为热量。高k介质很重要，因为它们增加了开关的有效性，允许减少电流泄漏，从而减少能量浪费。
然而，即使是高k介质器件也不是不受尺寸的影响。随着电子材料变得越来越小、越来越薄，我们无情地朝着塞进更多晶体管的方向前进摩尔定律)时，材料会受到邻近材料表面的强烈影响，通常会导致性能下降。这就解释了为什么石墨烯经常被高k介质损坏。
发生在表面的这些退化现象之一是材料振动。
振动和氧化镓的优势
远程声子散射:相邻材料的振动导致石墨烯中的电子散射，增加电阻。
材料因热而产生的振动，在材料中引起电阻，被称为声子。这些振动(声子)导致固体中的原子振荡，流动的电子反弹这些振荡并改变它们的方向，导致电阻。
石墨烯中碳原子的热振动产生的电阻非常小，这也是为什么石墨烯是一种非常有用的电子材料的原因之一。
然而，石墨烯的薄特性(只有一个原子厚)意味着热振动周围(远程)材料可以对石墨烯中的电子产生很大的影响，这些是室温下石墨烯中电阻的主要原因。
随着温度升高，更多的声子被激发，通过散射电子增加电阻。
“你可以把这种情况想象成一个围栏，”莫纳什大学/舰队的博士候选人马特·格伯特解释说。
“围栏(2D石墨烯)受到两侧邻居(石墨烯两侧的绝缘材料)的影响。一个邻居可能有一个干净的环境在他们的栅栏(一个良好的绝缘体，很少的声子)，但另一个邻居可能有一个杂草杂草的花园，破坏了栅栏(一个糟糕的绝缘体，强大的声子)……”
“所以最终，你的围栏(石墨烯)并没有达到预期的目的，甚至可能不再形成一个完整的围栏(电子电路)!”
为了研究氧化镓的保护性能，研究小组将大面积的氧化镓机械转移到石墨烯器件上。
随后的测量证实，石墨烯在不同温度和电子群下的电子特性得以保持——即，高电子迁移率(晶体管的一个非常有用的特性)得以保留。
氧化镓在毫米尺度与石墨烯器件，集成在一个无铅芯片载体。
令人惊讶的是，加了一层Ga2O3.玻璃降低了石墨烯中由声子散射引起的电阻，”马特解释说。
(在略低于室温的目标温度范围内确实如此。)
“这是违反直觉的，因为通过添加这种材料，你就引入了额外的声子。所以你可能会想:声子越多，我们期望的电阻就越高!”
然而，这些结果与绝缘体中声子的现有理论是一致的。遗传算法2O3.它拥有强声子，但同样的特性也允许它调整自己的原子结构，以“屏蔽”石墨烯另一侧二氧化硅玻璃中的声子的电场。
形势进一步好转，强嘎2O3.声子是一种需要高能量才能填充的模式。结果，Ga2O3.声子只有在更高的温度下才会活跃(有更多的热能)，这导致石墨烯的整体电阻降低，直到温度为-53oC (220 K).氧化镓正在拾取(只有)良好的振动．
设备性能的新途径。
这项工作部分是在开放获取的墨尔本纳米制造中心(MCN)进行的，FLEET的研究人员在那里制造了晶圆级设备。
这种降低整体声子含量的策略首次被证明，并可用于识别室温下2D电子器件性能更好的混合材料。
一种类似的介电材料，具有比Ga更高能量的声子模式2O3.可以与现有的硅技术很好地合作，目前这些技术正被推向量子尺度的极限。
液态金属印刷技术是工业合作伙伴的一种通用方法。该工艺为触印Ga2O3.规模化到大晶圆规模的区域，是非常自动化的，并显示出良好的再现性，表明其优点的行业采用。
金属镓，在30度左右熔化oC，并且与其他需要大量材料或高度升高温度的氧化沉积方法相比，转移设备也便宜。
这项研究
”机械转移Ga钝化石墨烯及抑制界面声子散射2O3.，于纳米快报(DOI: 10.1021/acs.nanolet .2c03492)。
这项工作是在莫纳什大学与RMIT合作进行的，两个小组都是FLEET(未来低能耗电子与技术)的一部分，澳大利亚研究委员会卓越中心。
部分制作也在墨尔本纳米制造中心(m cn)。
更多的信息
- 联系Semonti bhattacharya博士(现就职于莱顿大学)bhattacharyya@physics.leidenuniv.nl
- 联系Michael Fuhrer教授(莫纳什大学)michael.fuhrer@monash.edu
- 访问的福尔集团实验室
- 连接@MattGebert|@Semontis|@MichaelSFuhrer
- 连接@FLEET|看