Транзисторы, ключевые элементы цифровой электроники, сегодня становятся настолько миниатюрными, что их размеры исчисляются десятками атомов. Но при таких масштабах традиционная кремниевая технология сталкивается с серьёзными барьерами: возникают помехи, утечки тока, а сами производственные процессы становятся слишком сложными и дорогими.
Стратегия, основанная на постоянном уплотнении транзисторов на чипах, подходит к пределу — классические методы уже не гарантируют роста производительности.
Чтобы преодолеть эти ограничения, инженеры всё активнее ищут новые материалы и подходы к созданию микросхем. Одним из перспективных направлений считаются двумерные полупроводники — атомарно тонкие материалы, такие как дисульфид молибдена (MoS₂) и диселенид вольфрама (WSe₂). Они позволяют эффективно проводить заряд даже при толщине в один атом и могут работать как n- и p-тип транзисторы, необходимые для построения логики.
Однако превращение таких материалов в полноценные цепи остаётся проблемой. Современные методы требуют высоких температур, вакуумных установок или ручного размещения нанолистов, что делает массовое производство крайне затруднительным. При масштабировании возникают дефекты, плохое выравнивание и сложности, нивелирующие простоту самих материалов.
Новый подход, представленный в журнале Advanced Functional Materials и описанный порталом Nanowerk, предлагает решение. Учёные совместили жидкостное расслоение 2D-полупроводников с электрическим полем, которое направляет нанолисты к заранее заданным электродам. Так удаётся собирать комплементарные логические схемы без фотолитографии, травления или нагрева.
Процесс происходит параллельно, что позволяет создавать сразу несколько устройств на одном чипе за один шаг. Это упрощает производство и при этом сохраняет преимущества ультратонких материалов.
Для получения качественных нанолистов команда применила электролитическое расслоение: крупные ионы внедрялись между слоями кристаллов под действием напряжения, ослабляя связи. Затем мягкая ультразвуковая обработка разделяла их на стабильные листы. В отличие от традиционных механических методов, новые нанолисты достигали размеров более одного микрона и оставались взвешенными в растворе.
Учёные доработали процесс: заострённые электроды формировали поле, минимизируя нежелательные отложения, а переменный сигнал с частотой 50 Гц обеспечивал баланс между выравниванием и адгезией нанолистов. Уже через 15 секунд удавалось сформировать равномерные каналы толщиной около 10 нанометров.
Проблемой остаются дефекты на атомном уровне — например, отсутствие атомов серы или селена, что влияет на электрические характеристики. Для коррекции использовали химическую обработку с суперкислотой TFSI, которая устраняла такие дефекты.
В результате команда показала, что 2D-материалы можно использовать для создания полноценных логических и запоминающих устройств. Были реализованы инверторы, логические элементы NAND и NOR, а также ячейки SRAM с низким энергопотреблением, точными результатами и стабильным хранением данных.