Esta técnica, recentemente publicada na prestigiada revista Nature Communications, foi desenvolvida por investigadores do Graphene Flagship da RWTH Aachen University, da Bundeswehr em Munique, da AMO GmbH na Alemanha e do KTH Royal Institute of Technology na Suécia, em colaboração com a Protemics GmbH.
A integração de materiais 2D, como o grafeno, com silício (ou qualquer outro substrato utilizado em circuitos integrados) apresenta vários desafios. “Existe sempre uma etapa crítica na transferência do material 2D do substrato onde é sintetizado para o substrato final que será utilizado no fabrico de componentes eletrónicos, como sensores”, afirma Arne Quellmalz, coautor do artigo e investigador do KTH, um centro associado ao Graphene Flagship. “Pode-se querer combinar um fotodetetor de grafeno para comunicações óticas em chip com um circuito eletrónico de silício para leitura, mas a temperatura de fabrico destes materiais é muito elevada; não é possível realizar este processo diretamente no substrato dos dispositivos eletrónicos”.
Até agora, os métodos desenvolvidos para transferir materiais 2D do substrato onde são sintetizados para componentes eletrónicos eram incompatíveis com a produção em massa ou produziam defeitos no material 2D que comprometiam as suas propriedades eletrónicas. Mas a técnica desenvolvida por Quellmalz e a sua equipa no Graphene Flagship aproveita tecnologias e ferramentas já utilizadas nas fábricas de semicondutores: utiliza um material dielétrico padrão chamado bisbenzociclobutano (BCB) e equipamento para a montagem de wafers de silício.
“Basicamente, colámos os dois wafers utilizando uma resina BDB”, explica Quellmalz. “Aquecemos a resina até ficar viscosa, como mel, e depois colamos o material 2D.” Quando arrefece até à temperatura ambiente, a resina solidifica e forma uma ligação entre o material 2D e a bolacha de silício, acrescenta. “Para empilhar os materiais, simplesmente repetimos as etapas de aquecimento e prensagem. À medida que a resina se torna novamente viscosa, atua como uma almofada, como um colchão de água, suportando os materiais 2D e adaptando-se à sua superfície.”
Os investigadores do Graphene Flagship demonstraram a sua tecnologia para a transferência de grafeno e dissulfeto de molibdénio (um material da família dos dicalcogenetos metálicos). Também fabricaram heteroestruturas de materiais 2D utilizando grafeno, dissulfeto de molibdénio e nitreto de boro. Após a transferência para o wafer, os materiais foram analisados e observaram uma qualidade excecionalmente elevada. O revestimento de silício apresentou-se uniforme em wafers até 100 milímetros de diâmetro, e os materiais 2D não apresentaram sinais de tensão ou defeitos.
“O nosso método de transferência pode ser aplicado a qualquer material 2D, independentemente do seu tamanho ou do substrato em que foi sintetizado”, afirma Max Lemme, coautor do artigo e investigador da AMO GmbH e da RTWH Aachen, dois centros na Alemanha que fazem parte da iniciativa Graphene Flagship. “Além disso, uma vez que utiliza ferramentas e métodos muito comuns na indústria de semicondutores, pode acelerar a entrada no mercado de uma nova geração de dispositivos em que os materiais 2D são integrados em circuitos e microchips convencionais. Este trabalho representa um grande passo em direção a este objetivo e, embora ainda existam desafios a ultrapassar, as possibilidades que abre são enormes: aplicações em fotónica, sensores e até computação neuromórfica. A integração de materiais 2D pode ser um ponto de viragem para a indústria tecnológica europeia.”
A Comissão Europeia anunciou recentemente um projecto de 20 milhões de euros para colmatar a lacuna entre os métodos de fabrico de materiais 2D em laboratório e a produção em larga escala de dispositivos electrónicos. O projeto, lançado no âmbito da iniciativa Graphene Flagship, é conhecido como “Linha Piloto Experimental 2D (2D-EPL)”. “Este artigo é um ótimo exemplo do trabalho que está a ser realizado pelo projeto 2D-EPL”, afirma Cedric Huyghebaert, diretor de programa para novos materiais e integração no imec, Bélgica, e diretor técnico do 2D-EPL. “Esta é uma das tarefas pendentes mais urgentes: desenvolver ferramentas, métodos e manuais para o fabrico de dispositivos que aproveitem o potencial dos materiais 2D e sejam compatíveis com as normas da indústria de semicondutores”, afirma Huyghebaert. “O próximo passo será demonstrar o potencial destes processos fabricando sensores e dispositivos optoelectrónicos numa planta piloto.”
Referência
“Integração em grande área de materiais bidimensionais e suas heteroestruturas por colagem de wafers”, A. Quellmalz, (2021), DOI: 10.1038/s41467-021-21136-0.
