진동 문제를 줄이기 위해 진동을 추가하는 2D 재료용 실드
초박형 보호 액체 금속 인쇄 층은 전자 장치의 성능을 향상시켜 진동 저항을 억제합니다.
날짜:
2022년 12월 15일
원천:
미래 저에너지 전자 기술의 ARC Center of Excellence
요약:
새로운 연구는 원자적으로 얇은 전자 장치를 보호하기 위해 진동을 추가하고 진동을 줄이는 새롭고 반직관적인 방법을 보여줍니다. 액체 금속 갈륨 방울을 압착함으로써 그래핀 장치는 밀리미터 폭의 스케일을 덮을 수 있는 산화갈륨 보호 코팅으로 칠해져 산업적 대규모 제조에 잠재적으로 적용할 수 있습니다. 이 새로운 기술은 주변 재료의 열 진동으로부터 2D 재료를 보호할 뿐만 아니라 장치 성능을 향상시킵니다.
모나시 대학교 연구원들은 원자적으로 얇은 전자 장치를 보호하기 위해 진동을 추가하고 진동을 줄이는 새롭고 반직관적인 방법을 시연했습니다.
액체 갈륨의 얇은 방울을 '압착'함으로써 그래핀 장치는 유리 보호 코팅인 산화갈륨으로 칠해집니다.
이 산화물은 100개 미만의 원자로 매우 얇지만 센티미터 폭의 스케일을 포함하므로 산업적 대규모 제조에 잠재적으로 적용할 수 있습니다. 현재 IBM의 프론티어 "2nm" 트랜지스터는 10nm(원자 140개)에 가까운 비슷한 두께의 게이트를 사용합니다.
이러한 대면적 나노시트를 기계적으로 옮기는 것은 매우 새로운 일이라고 수석 저자인 Matthew Gebert는 말합니다.
산화물은 새로운 장치 보호 방법을 제공하는 동시에 장치 성능을 향상시킵니다.
공동저자인 Semonti Bhattacharyya는 "산화물은 우리가 처음 전송할 때 뿐만 아니라 나중에 후속 처리 및 제조 중에도 장치를 향상시키고 보호합니다."라고 말합니다.
갈륨 산화물의 성능 향상은 부품의 소형화 및 전력 낭비 감소를 향한 긴 행진의 핵심 구성 요소인 높은 K 유전 특성에 부분적으로 기인합니다.
보호용 산화 갈륨은 또한 주변 물질의 열로 인한 열 진동으로 인해 발생하는 그래핀의 전기 저항을 줄이는 놀라운 결과를 가져옵니다.
" 전체 진동 을 줄이기 위해 사실상 추가 진동을 추가하고 있기 때문에 놀랍습니다 . "라고 Matt는 말합니다.
열 진동으로 인한 저항을 줄이기 위한 이러한 전략이 그래핀 소자에서 시연된 것은 이번이 처음이다.
유해한 환경으로부터의 보호
ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies(FLEET)의 Monash 팀은 새로운 액체 금속 인쇄 기술을 사용하여 산화 갈륨(Ga 2 O 3 ) 유리를 만들었습니다. 이 방법은 다양한 전자 응용 분야에서 새로운 유리를 사용한 RMIT의 FLEET 공동 작업자가 설계했습니다.
액체 갈륨 금속 방울의 표면에 형성되는 유리 필름은 사람의 머리카락보다 5,000배 이상 얇지만 액체 금속 표면에서 안정적으로 '인쇄'되어 센티미터 크기의 영역에 걸쳐 균일하고 연속적인 층을 형성할 수 있습니다.
액체 금속 방법은 장치를 보호하는 두 가지 이점을 제공합니다. 레이어 인쇄 방법은 성장 손상을 방지하는 반면 전사된 레이어는 추가 처리를 위한 좋은 장벽입니다.
갈륨 산화물 캡슐화는 보호 기능을 제공할 뿐만 아니라 High-K 유전체 특성으로 인해 성능을 향상시킬 수도 있습니다. High-K 유전체는 그래핀과 통합하기가 쉽지 않은데, 이러한 물질의 성장에는 종종 고에너지 원자의 충격이 수반되기 때문입니다.
갈륨 산화물 캡슐화는 기계적 이송 기술("지게차 적재를 생각하십시오"라고 Matthew Gebert는 말합니다)이기 때문에 다음과 같은 바람직하지 않은 속성을 갖는 대체 증착 방법(예: 원자층 증착, 증발, 스퍼터링 및 증착)과 근본적으로 다릅니다. 고온 요구 사항.
갈륨 금속은 실온(30 o C)에 가까운 액체이기 때문에 이 공정은 산업적 채택에 많은 이점이 있습니다. 사실, 이러한 다른 방법을 사용하여 추가 처리하기 전에 산화 갈륨을 버퍼층으로 사용할 수 있습니다.
Monash 팀은 산업 성장 도구로 그래핀 장치를 테스트하여 갈륨 산화물이 그래핀을 표면 손상으로부터 보호한다는 것을 입증했습니다. 또 다른 산화물 층을 증착하면 그래핀의 덮이지 않은 부분만 손상되고 산화 갈륨으로 덮힌 부분은 그 품질을 유지했습니다.
유전체 층과 컴퓨팅에서의 중요성
전기 절연(유전체) 재료는 전자 및 컴퓨팅의 핵심에 있는 미세한 "스위치"인 트랜지스터의 기능에서 특히 중요합니다. 이러한 유전체 재료를 사용하면 전력 누출 없이 트랜지스터를 켜거나 끌 수 있으므로 전화/PC를 사용할 수 있습니다.
트랜지스터를 "전환"하기 위해 전자가 유전체 재료에 축적되어 전압을 생성하고 장치에 영향을 미칩니다. 그러나 더 얇은 유전체는 전류를 누설하여 스위칭 능력을 감소시키고 전류를 열로 낭비합니다. 고유전율 유전체는 스위치의 효율성을 높여 전류 누설을 줄이고 결과적으로 에너지 낭비를 줄일 수 있기 때문에 중요합니다.
그러나 고유전율 유전체 장치도 크기에 영향을 받지 않습니다. (무어의 법칙을 따르기 위해) 더 많은 트랜지스터를 집요하게 밀어넣으면서 전자 재료가 점점 더 작아지고 얇아짐에 따라 재료는 주변 재료의 표면에 의해 강하게 영향을 받아 성능이 저하되는 경우가 많습니다. 이것은 그래핀이 고유전율 유전체에 의해 종종 손상되는 이유를 설명합니다.
표면에서 발생하는 이러한 저하 현상 중 하나는 재료 진동입니다.
진동과 산화 갈륨의 이점
물질에 전기저항을 일으키는 열에 의한 물질의 진동을 포논(phonon)이라고 한다. 이러한 진동(음자)은 고체의 원자를 진동시키고 흐르는 전자는 이러한 진동에서 튕겨져 방향을 변경하여 전기 저항으로 이어집니다.
그래핀 자체에 있는 탄소 원자의 열 진동은 저항을 거의 일으키지 않으며, 이것이 그래핀이 전자 제품에 유용한 재료인 이유 중 하나입니다.
그러나 그래핀의 얇은 특성(단지 원자 하나 두께)은 주변 (원격) 물질의 열 진동이 그래핀의 전자에 큰 영향을 미칠 수 있음을 의미하며, 이는 실온에서 그래핀의 전기 저항의 주된 원인입니다.
온도가 올라가면 더 많은 포논이 여기되어 전자를 산란시켜 저항을 증가시킵니다.
Monash University/FLEET의 박사 과정 학생인 Matt Gebert는 "이 시나리오를 울타리로 생각할 수 있습니다."라고 설명합니다.
"울타리(2D 그래핀)는 양쪽에 있는 이웃(그래핀 양쪽에 있는 절연 재료)의 작용에 의해 영향을 받습니다. 한 이웃은 울타리 옆에 깨끗한 환경을 가질 수 있습니다(양호한 절연체, 포논이 거의 없음). ) 그러나 다른 이웃은 울타리를 손상시키는 무성한 정원을 가지고 있을 수 있습니다(강한 포논을 가진 나쁜 절연체) …"
"그래서 결국 당신의 펜스(그래핀)는 의도된 목적을 달성하지 못하며, 아마도 더 이상 완전한 펜스(전자 회로)를 형성하지 못할 수도 있습니다!"
산화 갈륨의 보호 특성을 조사하기 위해 팀은 기계적으로 넓은 영역을 그래핀 장치로 옮겼습니다.
후속 측정에서는 다양한 온도와 전자 집단에서 그래핀의 전자 특성이 유지됨을 확인했습니다. 즉, 높은 전자 이동도(트랜지스터의 매우 유용한 특성)가 보존됩니다.
"놀랍게도 Ga 2 O 3 유리 층을 추가하면 포논 산란으로 인한 그래핀의 전기 저항이 감소합니다."라고 Matt는 설명합니다.
(이는 실온보다 약간 낮은 목표 온도 범위에서 사실입니다.)
"이것은 이 물질을 추가함으로써 추가 포논을 도입하기 때문에 직관에 반하는 것입니다. 따라서 포논이 많을수록 저항이 높을 것으로 예상할 수 있습니다!"
그러나 이러한 결과는 절연체의 포논에 대한 기존 이론과 일치합니다. Ga 2 O 3 는 강력한 포논을 호스트하지만, 이 동일한 속성은 또한 그래핀의 다른 면에 있는 이산화규소 유리의 포논에서 전기장을 '차단'하기 위해 자체 원자 구성을 조정할 수 있게 합니다.
상황에 더 도움이 되는 강력한 Ga 2 O 3 포논은 채우기 위해 높은 에너지가 필요한 모드입니다. 그 결과, Ga 2 O 3 포논은 더 높은 온도(더 많은 열 에너지와 함께)에서만 활성화되며 이는 -53oC(220K)의 온도까지 그래핀의 전체 저항을 낮추는 결과를 낳 습니다 . 갈륨 산화물은 좋은 진동을 감지합니다.
장치 성능에 대한 새로운 방법.
전체 포논 함량을 줄이기 위한 이 전략은 처음으로 시연되었으며 2D 전자 장치를 위해 실온에서 더 나은 성능의 하이브리드 재료를 식별하는 데 사용될 수 있습니다.
Ga 2 O 3 보다 더 높은 에너지 포논 모드를 가진 유사한 유전체 재료 는 현재 양자 규모 한계에 도달하고 있는 기존 실리콘 기술과 잘 협력할 수 있습니다.
액체 금속 인쇄 기술은 산업 파트너를 위한 다양한 방법입니다. Ga 2 O 3 를 터치 프린팅하는 프로세스는 대형 웨이퍼 스케일 영역으로 스케일링되며 매우 자동화 가능하고 우수한 재현성을 보여 산업 채택 가능성에 대한 장점을 나타냅니다.
약 30 o C에서 녹는 갈륨 금속과 이송 장비도 많은 양의 물질이나 높은 온도를 필요로 하는 다른 산화물 증착 방법에 비해 저렴합니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/