يجب أن تكون الأجهزة الدقيقة أرق وأصغر لتتسع أكثر في شريحة واحدة لتحسين أداء أشباه الموصلات. ومع ذلك، فإن السيليكون المصنوع من مواد ثلاثية الأبعاد به عيب خطير يقلل من أداء أشباه الموصلات وعمرها الافتراضي. يُعرف هذا الخلل باسم تأثير القناة القصيرة وتشتت الشحنة، وعندما يصبح الترانزستور أصغر، فإنه يدمر نفسه بسبب تسرب التيار والتسخين.
لا يزال التحدي المتمثل في زيادة كثافة تكامل الأجهزة الصغيرة التي تحدد أداء أشباه الموصلات مستمرًا. لأول مرة على مستوى العالم، ابتكر البروفيسور هيونسوك شين من قسم الكيمياء تقنية تتيح إنشاء طبقات متعددة من نيتريد البورون السداسي، وهو العازل الوحيد ثنائي الأبعاد، كطبقة رقيقة بلورية واحدة، مما يمهد الطريق لتطوير الجيل القادم أشباه الموصلات.
هناك نوع معين من العوازل ثنائية الأبعاد التي تم اكتشافها حتى الآن، وهي نيتريد البورون السداسي (hBN)، يمكنها إيقاف مشكلات التدهور الوظيفي لأشباه الموصلات، مثل محاصرة الشحنة وتناثرها. على الرغم من أنه يحتوي على صبغة بيضاء ومن ثم يعرف أيضًا باسم "الجرافين الأبيض"، إلا أنه يحتوي على بنية جزيئية مماثلة لتلك الموجودة في الجرافين الأبيض. الجرافين.
يجب تصنيع استخدام hBN كعازل ثنائي الأبعاد في بنية بلورية واحدة حيث يتم إنشاء البلورة بأكملها بانتظام على طول محور بلوري معين. في السابق، كانت هناك حالات لتوليف بلورة واحدة من hBN يمكن تسويق حجمها تجاريًا. ومع ذلك، فإن سمك كل التوليف كان عبارة عن طبقة من الذرة، والتي لا يمكن أن تعمل كعازل.
ابتكر الفريق بقيادة البروفيسور هيوسيوك شين في قسم الكيمياء طريقة ثورية لتخليق hBN الذي يسمح بتكديس أغشية رقيقة من hBN أحادية البلورة في عدة طبقات. إنها طريقة التوليف الأولى في العالم التي يمكنها إنتاج طبقة رقيقة من الكريستال hBN بالسمك المطلوب مع التحكم بدقة في تركيز المواد الخام على ركيزة النيكل.
أجرى تطوير غشاء رقيق متعدد الطبقات من مادة hBN أحادية البلورة دراسة حول تخليق وتطبيق hBN منذ عام 2012. وقد أبلغ العلماء عن نتائج هذه الدراسة في مجلة Nature في عام 2020 وكشفوا أن نيتريد البورون غير المتبلور، وهو نوع من نيتريد البورون، هو مادة منخفضة للغاية. مادة عازلة تمنع تأخير إرسال الإشارة في أشباه الموصلات عالية الكثافة.
قال البروفيسور هيونسوك شين، "تم اكتشاف نيتريد البورون غير المتبلور في عام 2018 عندما قمت بدراسة hBN. كان ثابت العزل الكهربائي منخفضًا جدًا عند 2.0 أو أقل، لذلك وجدت أنه يمكن استخدامه كعازل يمنع التداخل الكهربائي عندما يتم تصغير أشباه الموصلات خلال بحثي الذي دام عامين. ومنذ ذلك الحين، أجرت العديد من شركات أشباه الموصلات أبحاثًا وتطويرًا حول تسويق نيتريد البورون غير المتبلور. ونتوقع أن تلعب طريقة تصنيع الأغشية الرقيقة hBN متعددة الطبقات البلورية دورًا مهمًا في تحسين تكنولوجيا أشباه الموصلات.
"لقد نجحنا في تصنيع طبقة رقيقة من مادة hBN أحادية البلورة في طبقات متعددة، لكننا ما زلنا بحاجة إلى تطوير تقنية أخرى للتسويق. إنها تقنية تقوم بنقل طبقة رقيقة من hBN تم تصنيعها على ركيزة من النيكل إلى رقاقة دون أي ضرر.
أستاذ شين وأضاف, "بمجرد تطوير هذه التكنولوجيا، يمكن استخدامها لنقل ليس فقط الأغشية الرقيقة hBN ولكن أيضًا المواد ثنائية الأبعاد المختلفة. ويخطط فريق البروفيسور شين لتوسيع أبحاثه في المجالات الكيميائية التطبيقية باستخدام hBN بالإضافة إلى الأبحاث الأساسية المتعلقة بـ hBN. ونأمل أن تؤدي جهودهم إلى ابتكار أشباه الموصلات.
ونُشرت الدراسة في المجلة الأكاديمية العالمية Nature.
