Ученые Томского политехнического университета и их коллеги из Германии провели эксперимент, в котором впервые показали, как ведут себя участки двумерных материалов, из которых производят составляющие передовых электронных устройств. Речь идет об устройствах, которые находятся в стадии исследования и будут в перспективе использоваться для создания гибких дисплеев для мобильных телефонов и других гаджетов, гибких оптических и вычислительных схем, гибких солнечных батарей и так далее. Ранее, по словам авторов исследования, таких экспериментов не проводил никто. Технология, над которой сейчас работают ученые, позволяет увидеть, как взаимодействуют между собой материалы на уровне наночастиц, определить появляющееся при их взаимодействии локальное напряжение и даже увидеть дефекты в этих материалах на наноуровне, что в перспективе позволит усовершенствовать компоненты для современной электроники сверхмалого размера (наноэлектроники).

«Сейчас в сфере электроники, цифровых технологий идет тенденция к миниатюризации устройств. Наиболее актуальна эта тенденция для транзисторов (ред. — полупроводниковых приборов, предназначенных для усиления тока), — рассказывает профессор кафедры лазерной и световой техники ТПУ Рауль Родригес. — Уже сегодня с помощью современных технологий создаются транзисторы с шириной канала 12 – 14 нанометров, что позволяет помещать большее их количество в процессор, увеличивая производительность смартфонов и других миниатюрных электронных устройств. Чтобы совершенствовать эти технологии и дальше, создавая транзисторы еще меньших размеров, нам нужно понимать, как ведет себя полупроводниковый материал при взаимодействии с металлом, как меняются его свойства в наномасштабе».

Результаты исследования представлены в научной статье, опубликованной в журнале NanoLetters (IF 12,7; Q1).

Ранее, по словам ученого, материалы-компоненты современной электроники изучались только на макро- и микроуровне, но получаемые в результате таких наблюдений сведения не всегда достаточны для понимания взаимодействия материалов друг с другом. В опубликованной статье ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Технологического университета Хемница и Университета Регенсбурга (Германия) впервые продемонстрировали, как ведут себя материалы-компоненты передовой миниатюрной электроники на наноуровне.

«Чтобы создать полную линейку разных устройств, которые необходимы для электроники, в том числе гибкой, нужны различные классы двумерных материалов, в число которых также входят и полупроводники. Дисульфид молибдена, который мы рассматриваем в нашей статье, — один из самых известных двумерных полупроводников. Нашей целью было изучить напряжение, возникающее в этом материале на наноуровне, а также процессы его растяжения или сжимания в разных структурах и областях», — сообщают авторы научной статьи.

Фото: объемный кристалл дисульфида молибдена (справа), сравнение с передовыми транзисторами на основе двумерного материала. .[image]  

Для этого ученые использовали золотые наночастицы — нанотреугольники. Сверху на них были помещены два монослоя дисульфида молибдена, который из-за выпуклой формы нанотреугольников деформировался, что и способствовало возникновению локального напряжения величиной 1,4%.

«Это большее напряжение, чем мы ожидали увидеть изначально. Вообще у нас не было цели создать как можно более высокое напряжение, но интересно, что просто положив тонкие слои дисульфида молибдена на металл, мы можем получать такие значительные деформации. И это очень важно — понимать, что происходит при создании контакта между полупроводником (дисульфидом молибдена) и проводником (золотом), если мы хотим создать наноустройство, — отмечает Рауль Родригес. — Мы показали в своей работе, что нельзя пренебрегать взаимодействием между тонкой пленкой и подложкой в электронных наноустройствах. Когда эти материалы изучаются, все их свойства (электронные, зонные, оптические) исследуются на плоской подложке. Но дело в том, что присутствие металла, который может использоваться для электродов, меняет свойства материала. Это неизбежно, но, возможно, это можно как-то использовать».

Рауль Родригес уточняет, что опубликованная научная статья стала первой, описывающей такие локальные измерения напряжений.

Провести такой эксперимент ученым удалось благодаря уникальной технологии Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS), объединяющей методы оптической спектроскопии и атомно-силовой микроскопии. Главный элемент технологии —золотая наноантенна, встроенная в атомно-силовой микроскоп. Ее размер у основания измеряется в микронах, а на конце — в нанометрах. На кончик такой антенны помещается наночастица, и ученые исследуют уже только сигналы, получаемые с этой конкретной частицы.

Графическое изображение наноантенны, представленное в научной статье

«Можно привести пример для лучшего понимания того, почему важно использование методов наноанализа. Представьте себе группу наночастиц, которую мы освещаем с помощью лазера. Если мы используем обычные оптические методы анализа, размер лазерного пятна составляет около двух микрон, а средний размер одной наночастицы — 40 нанометров. В результате при помощи лазера мы получаем информацию о том, какие наночастицы присутствуют в исследуемой нами области. Но, поскольку у нас размер лазерного пятна больше, чем размер частиц, мы получим некий усредненный сигнал и не сможем различить эти частицы между собой. Если же мы используем наноантенну, то мы можем выбрать конкретную частицу и практически получить сигнал только с нее, — объясняет Рауль Родригес. — Такие уникальные наноантенны производятся нашей компанией в Германии, и сейчас мы хотим перенести их производство в Томский политех».

Ученые подчеркивают, что с помощью метода TERS можно исследовать не только локальные напряжения, но и процессы взаимодействия частиц между собой, выявлять дефекты в тех или иных материалах на наноуровне. 

Фото: Рауль Родригес и его аспирант.