Киснева технологія керує зростанням 2D-кристалів з успіхом понад 99 відсотків

14 жовтня 2026 р. 12:03

14 жовтня 2026 р. 12:03

Дослідники з Південної Кореї розробили метод виробництва напівпровідників, який дає змогу з високою точністю керувати місцем утворення окремих кристалів у двовимірних матеріалах. За даними Interesting Engineering , їм вдалося отримати одиничні кристали в понад 99% із 400 запланованих ділянок росту, що може стати основою для створення вертикально стекованих обчислювальних чипів.

Нова техніка дозволяє вирощувати один кристал молібдену дисульфіду (MoS₂) — напівпровідника товщиною всього у кілька атомних шарів — у заздалегідь визначеній точці. Замість того, щоб допустити випадкове формування багатьох кристалів, вчені задають єдину «стартову» позицію.

Як кисень спрямовує ріст кристалів

Команда під керівництвом Корейського інституту передових технологій (KAIST) за участю UNIST, Університету Ханянг та компанії TDS Innovation запропонувала процес, який вони назвали etching-flux-mediated single-centered nucleation (EF-SCN) — одноцентроване зародження кристала, опосередковане травильним потоком.

У звичайних методах осадження напівпровідникових плівок можна задати лише загальну область росту. Точний контроль місця, де зароджується кожен окремий кристал, лишається складним завданням. Якщо кілька кристалів починають рости окремо й потім змикаються, між ними утворюються межі зерен . Такі межі порушують впорядковану атомну структуру й заважають руху електронів, погіршуючи електричні властивості матеріалу.

У новому процесі навколо виділеної області росту розміщують оксидний бар’єр, наприклад з гафнію оксиду (HfO₂). Кисень, що вивільняється з цього бар’єра, працює як травильний агент і пригнічує небажане зародження кристалів. Його дія найсильніша біля країв візерунка і поступово слабшає до центру.

У таких умовах найвигідніше зародитися кристалу саме в центрі області. Коли ріст у цій точці вже почався, процес одночасно ускладнює появу додаткових кристалів поруч, фактично «закріплюючи» єдиний центр росту.

Використовуючи EF-SCN, дослідники змогли виростити одиничні кристали MoS₂ точно в центральних позиціях більш ніж 99% із 400 заданих структур. Це демонструє високий рівень контролю над початковою стадією кристалоутворення.

Керування розміщенням різних матеріалів

Команда також показала можливості вибіркового осадження металів у складніших структурах, що поєднують молібден дисульфід (MoS₂) та молібден диселенід (MoSe₂). У таких гетероструктурах тонка плівка рутенію осаджувалася вибірково лише на ділянках з MoSe₂.

Цей результат демонструє ще один спосіб просторового керування матеріалами під час виготовлення напівпровідників: різні шари можна не тільки точно виростити в потрібних місцях, а й по-різному покривати металами залежно від складу.

Крок до вертикально стекованих чипів

Двовимірні напівпровідники привертають увагу тим, що зберігають корисні електронні властивості, попри товщину лише у кілька атомних шарів. Їхня надмала товщина відкриває можливість щільно стекувати обчислювальні та пам’яттєві елементи один над одним, скорочуючи відстань, яку мають долати дані всередині мікросхеми.

Переміщення інформації чипом споживає енергію та додає затримки в обробці. Якщо розташувати компоненти ближче, можна знизити енергоспоживання і часові витрати, що особливо важливо для систем із великими обчислювальними навантаженнями.

Однак для такого підходу потрібен надзвичайно точний контроль росту напівпровідникових шарів на поверхнях, де вже є готові електричні схеми. Технологія KAIST пропонує спосіб безпосередньо вирощувати високоякісні 2D-матеріали у заданих точках, замість того щоб створювати їх окремо й потім переносити на чип — процес, який може вносити дефекти.

Межі metоду та наступні кроки

Автори вивчали механізм EF-SCN за допомогою експериментів із ростом кристалів та комп’ютерного моделювання. Водночас вони ще не продемонстрували повністю працюючий стекований процесор і не виміряли реальне прискорення обчислень чи економію енергії.

Отримані результати поки що стосуються насамперед контролю зародження кристалів , а не готової комерційної продуктивності чипів. Щоб з’ясувати, чи вдасться інтегрувати новий метод у масове виробництво напівпровідників, потрібні подальші дослідження та випробування.

Робота була опублікована 8 жовтня в журналі Nature і може стати важливим кроком до точнішого й енергоефективнішого тривимірного компонування майбутніх мікросхем.

Технології