Laboratorium dla elektroniki nowej generacji

Materiały dwuwymiarowe to jeden z ważniejszych kierunków badań fizyków z PW. Od niedawna nasz zespół ma do dyspozycji najnowocześniejszy sprzęt klasy przemysłowej pozwalający na syntezę materiałów 2D i ich heterostruktur. Laboratorium LATTICE (Laboratory for Advanced Technologies in Two-Dimensional Crystal Epitaxy) działa na terenie CEZAMAT-u.

– Bazą naszej pracowni jest maszyna do metaloorganicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej, czyli reaktor MOCVD (ang. metal-organic chemical vapour deposition) – mówi dr inż. Jakub Sitek. – Dzięki niej możliwy jest wzrost materiałów 2D w skali półprzemysłowej. Nasz cel to wytwarzanie materiałów dwuwymiarowych dla elektroniki, czyli tranzystorów, fotodetektorów, sensorów, optoelektroniki. 

Mniejszy znaczy lepszy

Na czym polega fenomen rozwiązań opartych o 2D? Kluczowe hasło to miniaturyzacja. Współzałożyciel Intela, Gordon Moore, zaobserwował sześć dekad temu, że liczba tranzystorów w układach scalonych będzie podwajała się co dwa lata. Rozmiar tranzystorów malał, niczym w wyścigu o nadążenie za wizją Moore’a. Fizyczne możliwości „upychania” ich na krzemowym rdzeniu również jednak maleją, odwrotnie niż światowe zapotrzebowanie na wydajną, energooszczędną i niezawodną elektronikę.

Rozwiązaniem i alternatywą dla wartościowej, choć współcześnie niewystarczającej technologii, opartej na monokryształach krzemu, są właśnie materiały dwuwymiarowe. 

– Mogą zrewolucjonizować elektronikę, którą znamy, a to dzięki temu, że w przeciwieństwie do krzemu działają przy grubościach atomowych, otwierając dalsze możliwości miniaturyzacyjne – mówi nasz fizyk. – Miniaturyzacja oznacza z kolei szereg dodatkowych korzyści, jak choćby niższe zużycie prądu.

W świecie 2D mamy do czynienia z warstwowością. Dzięki składaniu warstw takich materiałów w przemyślany sposób można uzyskiwać metamateriały o udoskonalonych lub wręcz wcześniej nieznanych właściwościach.  

Dążenie do doskonałości

– Przemysł zainwestował mnóstwo czasu i środków w technologię krzemową i tak łatwo jej nie porzuci – podkreśla dr Sitek. – Krokiem pośrednim jest integracja 2D z 3D, natomiast w naszej ocenie, w tym momencie, nie warto skupiać się na takich hybrydach. Nas interesują przede wszystkim unikatowe rozwiązania oparte o 2D, np. architektury neuromorficzne. 

Obecnie na świecie działa kilka grup badawczych zajmujących się MOCVD materiałów 2D –prym wiedzie amerykański Penn State. Badacze z Wydziału Fizyki PW tworzą jedyny w Polsce zespół tak głęboko zaangażowany w wykorzystywanie tej technologii w elektronice. I mierzą wysoko, w naukowym wyścigu chcą zbliżyć się do badaczy z Pensylwanii. 

Na razie trwają testy pierwszych próbek. Fizycy cały czas dążą do osiągnięcia złotego standardu, który umożliwia zastosowanie nowych materiałów 2D – etapu testów laboratoryjnych gotowych urządzeń, które dowiodą wysokiej jakości i skalowalności opracowanych rozwiązań.

Do zespołu LATTICE należą: dr inż. Jakub Sitek, dr Iwona Pasternak, dr Abinash Adhikari (POSTDOC PW), mgr inż. Alicja Kądziela (doktorantka, Preludium BIS) oraz dr hab. inż. Włodzimierz Strupiński. Laboratorium tworzy zespół zajmujący się wzrostem materiałów 2D w ramach grupy badawczej prof. Mariusza Zdrojka. 

Obraz

Innowacyjna platforma do syntezy materiałów 2D i ich heterostruktur dla elektroniki nowej generacji powstała dzięki dofinansowaniu Ministerstwa Edukacji i Nauki w wysokości 9 300 000 zł.