Новая техника выявления невидимых дефектов повысит эффективность ультратонкой электроники

Исследователи из США разработали новую технику, позволяющую выявлять скрытые дефекты в двумерных материалах, что обещает значительно повысить надежность и эффективность ультратонкой электроники будущего. Команда из Университета Райса (Rice University) обнаружила, что трудноразличимые изъяны в широко используемом двумерном изоляторе способны улавливать электрические заряды и локально ослаблять материал, делая его более уязвимым к пробоям при более низких напряжениях.

Создание ультратонких электронных устройств, таких как передовые транзисторы, фотодетекторы и квантовые приборы, предполагает сборку листов различных двумерных материалов друг на друга в так называемые «гетероструктуры». Одним из ключевых и наиболее распространенных компонентов таких структур является гексагональный нитрид бора (hBN), ценимый за свою атомарную гладкость и химическую стабильность.

Однако, как пояснила Ха Ён Ли, доцент кафедры материаловедения и наноинженерии Rice и автор исследования, реальные материалы несовершенны. В гексагональном нитриде бора могут возникать длинные узкие дефекты упаковки, похожие на складки, которые образуются, когда в книге съезжают несколько страниц. Эти скрытые дефекты легко образуются в процессе стандартной обработки материала, например, при отслаивании тонких хлопьев hBN от объемного кристалла с помощью липкой ленты и переносе их на кремниевые подложки. Исследователи предположили, что такое рутинное обращение может изгибать листы, провоцируя появление дефектов.

Проверяя эту гипотезу, ученые столкнулись с тем, что под обычным оптическим или атомно-силовым микроскопом хлопья выглядели идеально гладкими. Только использование катодолюминесцентной спектроскопии — метода, сканирующего материал электронным пучком и регистрирующего испускаемый свет — позволило обнаружить проблему. «hBN излучает глубокий ультрафиолет, который многим лабораториям трудно возбуждать, — отметила Ли. — Эта карта излучения выявила яркие, узкие дефекты упаковки, которые пропускают другие методы».

Исследование показало, что такие дефекты чаще образуются в более толстых хлопьях и кардинально меняют свойства материала. Эти скрытые несовершенства действуют как крошечные ловушки для заряда и ослабляют изоляционные свойства: напряжение пробоя в области дефекта оказывается значительно ниже, чем на неповрежденных участках. Это означает, что два устройства, собранные идентичным образом, могут вести себя по-разному, если одно из них содержит такие линии разлома.

Разработанный учеными подход, сочетающий электронную микроскопию, катодолюминесцентное картирование и силовые измерения, позволяет выявлять эти дефекты до того, как они приведут к сбоям в работе устройства. «Показывая практические способы обнаружения того, когда и где образуются эти дефекты, мы помогаем сделать будущие устройства более надежными и воспроизводимыми», — подчеркнула Ха Ён Ли. Важно отметить, что предложенная техника применима и к другим слоистым материалам, открывая путь к созданию действительно совершенных компонентов для электроники нового поколения.