Bu tədqiqat ikiölçülü (2D) materialların yüksək kristal keyfiyyəti qorunmaqla geniş sahəli təkqatlar şəklində əldə edilməsini təmin edən metal dəstəkli lay ayırma texnologiyalarını araşdıran elmi icmaldır. Metal dəstəkli lay ayırma (Metal-Assisted Exfoliation, MAE), laylı kristallarla metal səthlər arasındakı interfeys qarşılıqlı təsirlərindən istifadə etməklə materialın layları arasındakı van der Waals əlaqəsini aşmağı və nəzarətli ayrılmanı təmin etməyi hədəfləyən material hazırlama üsulları ailəsidir. İcmal ənənəvi mexaniki lay ayırmanın aşağı məhsuldarlıq və məhdud fraqment ölçüsü problemlərini; kimyəvi buxar çökdürmənin (CVD) və maye fazada lay ayırmanın isə struktur qüsuru, dənə sərhədi və çirklənmə problemlərini müqayisəli şəkildə qiymətləndirir. Xüsusilə qızıl dəstəkli sistemlərdə deformasiya mənşəli laylararası ayrışmanın rolu, gümüş və digər metallarla hazırlanmış alternativ proseslər, maye qalliumun laylar arasına daxil olması və əldə edilən materialların yüksək performanslı tranzistorlarla tamamlayıcı məntiq dövrələrində tətbiqi izah olunur.

İcmalın əsas nəticəsi budur ki, MAE texnologiyasının uğurunu yalnız metal ilə material arasındakı yapışma qüvvəsi ilə əlaqələndirmək olmaz. İnterfeys bağlanma enerjisi termodinamik əlverişliliyi müəyyənləşdirərkən metal səthinin təmizliyi, kobudluğu, tətbiq olunan təzyiq, oksidləşmə vəziyyəti və deformasiyanın laylar boyunca paylanması ayrılmanın keyfiyyətini müəyyən edən mühüm amillərdir. Ədəbiyyatda verilən tədqiqatlar geniş sahəli təkqatların istehsal edilə bildiyini, sahə-effektli tranzistorlarda yüksək daşıyıcı hərəkətliliyinə nail oluna bildiyini və ikiölçülü yarımkeçiricilərin tamamlayıcı məntiq dövrələrinə inteqrasiya edilə bildiyini göstərir. Bununla belə, icmal yeni istehsal təcrübəsi aparmamışdır. Sənaye miqyasında böyütmə, metalın maya dəyəri, fasiləsiz istehsal və uzunmüddətli interfeys sabitliyi açıq texnoloji çətinliklər olaraq qalır.

İkiölçülü materiallara nə üçün ehtiyac var?

Ənənəvi silisium əsaslı mikroelektronikada cihaz ölçülərinin davamlı kiçildilməsi atom miqyasına yaxınlaşdıqca fiziki və texnoloji məhdudiyyətlərlə qarşılaşır. Buna görə atom qalınlığında yarımkeçiricilər, keçiricilər və izolyatorlar yeni nəsil elektron material platformaları kimi araşdırılır.

İkiölçülü materiallar bir və ya bir neçə atomik laydan ibarət olan, lay daxilində güclü bağları və laylar arasında nisbətən zəif van der Waals qarşılıqlı təsirlərini birlikdə daşıyan material sistemləridir. Qrafen, keçid metalı dixalkogenidləri (Transition Metal Dichalcogenides, TMDC) və heksaqonal bor nitridi (h-BN) mənbə tədqiqatda nəzərdən keçirilən əsas material ailələridir.

Bu materialların elektrik və optik xüsusiyyətləri layların sayına həssasdır. Məsələn, molibden disulfid (MoS₂), həcmli kristal halından təkqata keçərkən dolayı enerji zonasından birbaşa enerji zonasına keçid göstərə bilər. Bu dəyişiklik optik udma və fotolüminessensiya davranışına təsir edərək təkqatlı MoS₂-ni optoelektron tətbiqlər baxımından mühüm edir.

Lakin atomik nazikliyin yaratdığı üstünlük eyni zamanda mühüm istehsal çətinliyi yaradır. Çox kiçik struktur qüsurları, metal qalıqları, nəzarətsiz yük ötürülməsi, çatlar, qatlanmalar və çirkli interfeyslər materialın elektron davranışını dəyişə bilər. Buna görə böyük material sahəsi əldə etmək və həmin sahənin kristal bütövlüyünü və təmizliyini qorumaq birlikdə həyata keçirilməli iki ayrı hədəfdir.

Ənənəvi üsullarda keyfiyyət və miqyas arasındakı gərginlik

Yapışqan lentlə mexaniki lay ayırma yüksək kristal keyfiyyətli atomik layların əldə edilməsinə imkan verir. Bununla belə, hansı ölçüdə və neçə laylı fraqmentlərin əldə ediləcəyi böyük dərəcədə təsadüfidir. Aşağı məhsuldarlıq və mümkün yapışqan qalıqları bu üsulun nizamlı geniş sahəli cihaz istehsalında istifadəsini çətinləşdirir.

Maye fazada lay ayırma daha böyük miqdarda material hazırlanmasına kömək edə bilər. Lakin həlledici və ya səthi-aktiv maddə qalıqları, kiçik hissəcik ölçüləri və kənar qüsurları, xüsusilə yüksək daşıyıcı hərəkətliliyi tələb olunan tətbiqlərdə məhdudlaşdırıcı ola bilər.

Kimyəvi buxar çökdürmə (Chemical Vapor Deposition, CVD) geniş səthlərdə material yetişdirmək üçün güclü üsuldur. Buna qarşılıq, bir neçə kristal bölgənin birləşməsi ilə yaranan dənə sərhədləri, böyümə qüsurları, qalıq gərginlik və sonradan həyata keçirilən polimer dəstəkli köçürmə addımları elektron keyfiyyətə mənfi təsir göstərə bilər.

Metal dəstəkli lay ayırmanın əsas yanaşması yeni kristal yetişdirmək əvəzinə mövcud laylı kristalın monokristal quruluşundan istifadə etməkdir. Metal səth kristalın müəyyən layını seçici şəkildə saxlayaraq onun digər laylardan ayrılmasını asanlaşdırır.

Metal dəstəkli lay ayırma necə işləyir?

Metal dəstəkli lay ayırma laylı kristalın metal səthlə qarşılıqlı təsirini təmin etməklə metal–material interfeysindəki bağlanma ilə kristalın öz layları arasındakı bağlanma fərqindən istifadə edir. Uyğun şəraitdə metal üzərində saxlanılan alt lay üst laylardan ayrılır. Ayrılmanın effektivliyi yalnız bağlanma enerjisindən deyil; xüsusilə qızıl dəstəkli sistemlərdə yerli deformasiya səbəbindən laylararası mexaniki əlaqənin zəifləməsindən də asılıdır.

Termodinamik enerji tarazlığı

Mənbə tədqiqatda mexaniki lay ayrılmasının termodinamik şərti aşağıdakı tənliklə ifadə olunur:

\[ \Delta G=E_{\mathrm{inter}}-E_{\mathrm{int}} \]

Burada:

• \(\Delta G\): Mənbə modelində lay ayrılmasının termodinamik əlverişliliyini ifadə edən enerji fərqidir.
• \(E_{\mathrm{inter}}\): İkiölçülü materialın öz layları arasındakı bağlanma enerjisidir.
• \(E_{\mathrm{int}}\): Metal səthlə ikiölçülü material arasındakı interfeys bağlanma enerjisidir.

Mənbədə istifadə olunan işarə tərifinə görə:

\[ \Delta G<0 \]

şərti, metal–material bağlanmasının laylararası bağlanmaya nisbətən daha əlverişli olduğu və ayrılmanın termodinamik baxımdan baş verə biləcəyi vəziyyəti ifadə edir.

Enerjilər vahid sahəyə görə ifadə edildikdə eyni vahiddən istifadə olunmalıdır. İcmal qrafen və MoS₂ kimi tipik van der Waals materiallarında laylararası bağlanma enerjisinin təxminən 20 meV/Ų səviyyəsində olduğunu bildirir.

Bu tənlik ayrılmanın enerji baxımından mümkün olub-olmadığını qiymətləndirir; hansı ölçüdə təkqat əldə ediləcəyini, materialın zədəsiz qalıb-qalmayacağını və ya bütün səthdə eyni keyfiyyətdə ayrılma baş verəcəyini təkbaşına müəyyən etmir.

Qızıl dəstəkli ayrılmada deformasiya nə üçün vacibdir?

Qızıl dəstəkli lay ayırmada yerli deformasiya qızıl səthə toxunan ən alt MoS₂ layının kristal qəfəsinə üst laylardan fərqli təsir edərək ilk iki lay arasındakı mexaniki əlaqəni zəiflədə bilər. Beləliklə ən alt layın üstündəki interfeys kristalın üstünlük verilən ayrılma müstəvisinə çevrilir. İcmalda araşdırılan tədqiqatlar bu mexanizmin yalnız güclü metal yapışmasından daha ətraflı izah verdiyini göstərir.

Qızıl–MoS₂ interfeysinin fiziki quruluşu

Qızıl ikiölçülü materialların ayrılmasında geniş istifadə olunan metallardan biridir. Qızıl dəstəkli lay ayırma (Gold-Assisted Exfoliation, GAE), xüsusilə yüksək keyfiyyətli və geniş sahəli TMDC təkqatlarının hazırlanmasında inkişaf etmişdir.

Mənbədə araşdırılan Au(111)–MoS₂ sistemində qızılla təmas edən ən alt kristal layı nəzərəçarpan qəfəs deformasiyasına məruz qalarkən üst laylar daha az təsirlənir. Bu fərq laylar arasındakı əlaqənin bütün kristal boyunca eyni qalmamasına səbəb olur.

Qızıl səthlə MoS₂ arasındakı qarşılıqlı təsiri anlamaq üçün Raman spektroskopiyası və yüksək bucaqlı həlqəvi qaranlıq sahə skan edən keçirici elektron mikroskopiyası (HAADF-STEM) kimi üsullardan istifadə edilmişdir.

Mənbədə verilən atomik görüntüləmə nəticələrində molibden atomlarının yerləşdiyi müstəvi ilə qızıl atomlarının mərkəzləri arasındakı orta məsafə \(5.1\pm0.3\) Å olaraq ölçülmüşdür. Kükürd atomlarının müstəvisi ilə qızıl səthi arasındakı məsafə təxminən 3,5 Å qiymətləndirilmişdir. Tipik Au–S kovalent bağ uzunluğunun təxminən 2,2 Å olması ilə müqayisədə bu daha böyük məsafə tədqiqatda güclü van der Waals qarşılıqlı təsiri lehinə şərh olunur.

Raman spektrləri deformasiyanı necə üzə çıxarır?

Raman spektroskopiyası kristaldakı titrəyiş modlarının enerji və ya tezlik dəyişikliklərini ölçməklə qəfəs simmetriyası, deformasiya və yük ötürülməsi haqqında məlumat verir.

İcmalda verilən qızıl üzərində iki–dörd laylı MoS₂ nümunələrində \(E^1_{2g}\) Raman modunun parçalanması və təxminən 380 cm⁻¹ yaxınlığında aşağı tezlikli komponentin yaranması vurğulanır. Müvafiq tədqiqatlar bu dəyişikliyi deformasiya mənşəli qəfəs pozuntusu ilə əlaqələndirir.

\(A_{1g}\) modundakı parçalanma isə eyni şəkildə şərh edilməməlidir; icmal bu modda dəyişmənin müvafiq sistemdə yük dopinqi ilə bağlı ola biləcəyini bildirir. Beləliklə Raman xətlərinin hər biri tək bir fiziki mexanizmin sübutu kimi qəbul edilmir.

Qızıl səthin yaratdığı qarşılıqlı təsir təkqatlı MoS₂-də simmetriya dəyişikliyinə və normal şəraitdə qadağan olunan bəzi Raman modlarının aktivləşməsinə də səbəb ola bilər. Bu, metal–yarımkeçirici interfeysinin yalnız mexaniki ayrılmaya deyil, materialın titrəyiş simmetriyasına da təsir göstərə bildiyini göstərir.

Dəyişdirilmiş xətti zəncir modeli

Mənbə Şəkil 1-də araşdırılan dəyişdirilmiş xətti zəncir modeli (modified Linear Chain Model, mLCM), MoS₂ kristalındakı laylararası mexaniki qüvvə sabitlərini müqayisə etmək üçün istifadə olunur.

Bu modeldə \(K_0\), pozulmamış MoS₂ daxilində digər laylar arasındakı xarakterik qüvvə sabitini; \(K_{\alpha}\) isə qızılla qarşılıqlı təsirdə olan birinci layla ikinci lay arasındakı qüvvə sabitini təmsil edir.

İcmalda verilən nəticələr belədir:

• İkilaylı MoS₂ üçün \(K_{\alpha}\), təxminən \(0.8K_0\) səviyyəsindədir.
• Ümumi kristal qalınlığı artdıqca ilk iki lay arasındakı əlaqə qüvvəsi nəzərəçarpacaq dərəcədə azalır.
• Beş laydan qalın kristallarda \(K_{\alpha}\) sıfıra yaxınlaşır.

Bu nəticə qızıl səthə yapışmış ən alt layın üst kristal qəfəsindən demək olar ki, mexaniki olaraq ayrışa bildiyi şəraiti izah edir. Birinci prinsiplər hesablamalarında təxminən %3,5-i aşan iki oxlu deformasiya və beş laydan çox kristal qalınlığı şəraitində ayrılma enerjisinin mənfi ola bildiyi bildirilir.

Şərh sərhədi: %3,5 dəyəri bütün metal–material sistemləri üçün universal deformasiya həddi deyil. Müəyyən qızıl dəstəkli MoS₂ modeli üçün icmalda verilən hesablama nəticəsidir.

Tətbiq olunan təzyiq nəyi dəyişir?

Metal səthlə kristalın real təmas sahəsi kifayət qədər deyilsə, enerji baxımından əlverişli sistemdə belə nizamlı ayrılma baş verməyə bilər.

Uyğun xarici təzyiq kristalın qızıl səthə daha yaxşı oturmasını təmin edir. Bu, təmas sahəsini və yerli deformasiya paylanmasını dəyişdirə bilər; birinci layla üst kristal arasındakı əlaqənin zəiflədiyi bölgənin böyüməsinə kömək edə bilər.

Bununla belə, həddindən artıq təzyiq qəfəs zədəsi və ya nəzarətsiz parçalanma riski yarada bilər. Mənbə Şəkil 1b nəzarətli təmasla həddindən artıq təzyiq vəziyyətlərini müqayisə edərək təzyiqin yalnız qüvvəni artırma vasitəsi deyil, interfeys mühəndisliyi parametri olduğunu göstərir.

Qızıl plyonkanın qalınlığı, səth kobudluğu və təzəliyi

İcmal qızıl plyonkanın fiziki vəziyyətinin lay ayırma keyfiyyətinə təsir etdiyini göstərir. Nazik və hamar qızıl səthlərdə daha yaxşı təmas təmin edilə bildiyi halda, qalın və kobud plyonkalarda effektiv metal–material qarşılıqlı təsiri azala bilər.

Mənbə Şəkil 1d və 1e, 7,5 nm və 100 nm qalınlığındakı Au plyonkalarında aparılmış MoS₂ lay ayırma nəticələrini müqayisə edir. Verilən nümunədə nazik qızıl plyonka daha əlverişli nəticə vermişdir.

Araşdırılan tədqiqatlar qızıl plyonka üçün təxminən 5–20 nm aralığını uyğun hesab edir. Bundan əlavə, yeni hazırlanmış qızıl səthdən istifadə vacibdir; havaya məruz qalma və səthin yaşlanması ayrılma performansını azalda bilər.

Qızıl dəstəkli lay ayırmanın proses ardıcıllığı

İcmalda nəzərdən keçirilən yayğın prosesdə əvvəlcə silisium/silisium dioksid, kvars və ya elastik plastik kimi uyğun altlıq üzərinə Ti və ya Cr yapışma layı, ardınca Au layı çökdürülür.

Daha sonra həcmli laylı kristal Au səthinə nəzarətli təzyiqlə təmas etdirilir. Mənbədə verilən nümunə prosesində təmas təxminən 1–5 dəqiqə saxlanılır. Kristal yavaşca uzaqlaşdırıldıqda uyğun şəraitdə metal üzərində təkqat bölgələr qala bilər.

Bu proses başlanğıc kristalın monokristal quruluşundan istifadə edir. Buna görə yeni yetişdirilmiş polikristal plyonkada yarana bilən dənə sərhədlərinin bir hissəsindən qaçmaq mümkündür. Lakin əldə edilə bilən təkqat sahəsi başlanğıc kristalın ölçüsü ilə məhdudlaşır.

Qızıldan başqa hansı metallardan lay ayırmada istifadə oluna bilər?

Metal dəstəkli lay ayırma yalnız qızılla məhdudlaşmır. İcmalda gümüş, palladium, mis, nikel və maye qallium kimi alternativlər qiymətləndirilmişdir. Bu metallar eyni nəticəyə tamamilə eyni mexanizmlə çatmır: qızıl üçün yerli deformasiya mənşəli ayrışma ön plana çıxarkən bəzi keçid metallarında güclü interfeys bağlanması və oksidləşmə nəzarəti; qalliumda isə atomların laylar arasına daxil olması mühüm olur.

Gümüş: Maya dəyəri və optik xüsusiyyətlər

Gümüş (Ag), qızıla nisbətən daha aşağı maya dəyərli alternativ kimi araşdırılır. Mənbədə araşdırılan tədqiqatlar gümüş plyonkalar vasitəsilə geniş sahəli MoS₂ və digər ikiölçülü materialların əldə edilə bildiyini göstərir.

Gümüşün mühüm xüsusiyyətlərindən biri səth morfologiyası ilə bağlıdır. Termal buxarlandırma ilə hazırlanmış bəzi Ag plyonkaları bir yerə toplanmış nanohissəciklərin yaratdığı nəzərəçarpan kobudluğa malikdir. Bu quruluş plazmonik qarşılıqlı təsirlərə təsir göstərə bilər.

Qızılla birbaşa təmas bəzi ikiölçülü yarımkeçiricilərin fotolüminessensiyasını zəiflədə bilər. Buna qarşılıq müəyyən kobud gümüş səthlərin fotolüminessensiya siqnalını gücləndirə bildiyi icmalda bildirilir.

MoS₂ və MoSe₂ üçün araşdırılan gümüş plyonka qalınlıqları arasında, 5 nm Ag plyonka üzərində ən güclü fotolüminessensiya siqnalının müşahidə edildiyi bir tədqiqat bildirilir. Kobud Ag üzərindəki MoS₂-də təxminən 1,86 eV enerjili A-eksiton fotolüminessensiya pikinin gücləndiyi qeyd olunur.

Bu nəticə gümüşün bütün səth formalarında fotolüminessensiyanı artıracağı demək deyil. İcmal hamar və kobud Ag səthlərinin optik davranışlarının fərqli ola biləcəyini xüsusilə ortaya qoyur.

Palladium, mis və nikel: Oksidləşmənin həlledici rolu

Palladium (Pd), mis (Cu) və nikel (Ni) kimi metallar ikiölçülü materiallarla daha güclü interfeys qarşılıqlı təsirləri yarada bilər.

İlk tədqiqatlarda bəzi alternativ metallardan istifadə edildikdə kristalın cırılması, nizamsız ayrılma və ya arzuolunmaz faza dəyişiklikləri müşahidə edilmişdir. Sonrakı tədqiqatlarda bunun yalnız metalın güclü yapışmasından qaynaqlanmadığı, səth oksidləşməsinin də mühüm ola bildiyi göstərilmişdir.

İcmalda verilən təcrübələrdə yüksək vakuum altında yerində metal çökdürmə və oksigensiz proses şəraitindən istifadə edildikdə Pd, Cu, Ni və Ag ilə də geniş sahəli, yüksək keyfiyyətli MoS₂ təkqatlarının əldə edilə bildiyi bildirilir.

Beləliklə metal növünün seçimi yalnız bağlanma enerjisinin böyüklüyünə endirilə bilməz. Səthin oksidləşib-oksidləşmədiyi, metalın necə çökdürüldüyü və kristalla metal arasında necə təmas yarandığı birlikdə qiymətləndirilməlidir.

AFM ilə lay qalınlığının təsdiqi

Mənbə Şəkil 2 müxtəlif metallarla əldə edilmiş layların optik mikroskopiya və atom qüvvəsi mikroskopiyası (AFM) nəticələrini əhatə edir.

Gümüş dəstəkli ayrılma ilə əldə edilmiş MoS₂ bölgələrində təxminən 0,65 nm pillə hündürlüyü bildirilmişdir. Bu dəyər MoS₂-nin xarakterik laylararası məsafəsi ilə uyğundur.

AFM görüntüsü yalnız səthin gözəl və ya hamar olduğunu göstərmək üçün istifadə olunmur. Ölçülən pillə hündürlüyü bir və iki laylı bölgələrin fərqləndirilməsini qiymətləndirmək baxımından fiziki əhəmiyyət daşıyır.

Maye qalliumla atomik interkalasiya

Qallium (Ga), otaq temperaturuna yaxın şəraitdə maye hala keçə bilməsi və metal xüsusiyyətlərini qoruması səbəbindən fərqli lay ayırma yanaşmasına imkan verir.

İnterkalasiya, atom və ya molekulların laylı materialın mövcud layları arasına daxil olması prosesidir.

İcmalda verilən Bai və həmkarlarının üsulunda ərimiş qalliumla laylı materiallar təxminən 24 saat maqnit qarışdırma ilə bir araya gətirilmişdir.

Qallium atomlarının MoS₂ layları arasına daxil olması ilə əvvəlcə təxminən 0,6 nm olan lay məsafəsinin təxminən 1 nm-ə yüksəldiyi bildirilmişdir. Həmçinin təxminən 1 nm hündürlüyündə və 8 nm enində cibəbənzər strukturlar müşahidə edilmişdir.

Qalliumun oksidləşməsi ilə yaranan Ga₂O₃, materialla qarşılıqlı təsirdə əlavə rol oynaya bilər. İcmalda bu oksid quruluşunun laylararası van der Waals qarşılıqlı təsirindən daha yüksək yapışma enerjisinə malik olması və yüngül qarışdırma zamanı sürüşmə qüvvələrinə töhfə verməsi izah olunur.

Raman, rentgen şüalarının difraksiyası (XRD) və rentgen fotoelektron spektroskopiyası (XPS) nəticələrinə əsasən, Ga interkalasiyasından sonra MoS₂ və WS₂ üçün 2H → 1T' faza keçidi də bildirilmişdir.

Bu faza dəyişikliyi xüsusilə kataliz kimi tətbiqlər üçün mühüm ola bilər. Lakin faza keçidi bütün metal dəstəkli lay ayırma üsulları üçün məcburi və ya həmişə arzuolunan nəticə deyil.

Metal seçiminin texniki kompromisləri

Lay ayırmadan elektron cihaza keçid

İkiölçülü materialın yüksək kristal keyfiyyətə malik olması birbaşa istifadəyə hazır elektron cihaz əldə edildiyi demək deyil. Layın müəyyən mövqeyə köçürülməsi, uyğun elektrodlarla təmas etdirilməsi və çoxsaylı cihazlar arasında ardıcıl performansın təmin edilməsi lazımdır.

Buna görə mənbə tədqiqat MAE texnologiyasının material hazırlama mərhələsindən kənara çıxaraq naxışlı köçürmə və cihaz inteqrasiyasına necə tətbiq edildiyini araşdırır.

Sahə-effektli tranzistorlar

Sahə-effektli tranzistor (Field-Effect Transistor, FET), yarımkeçirici kanalın keçiriciliyinin qapı elektrodu vasitəsilə tətbiq olunan elektrik sahəsi ilə idarə edildiyi elektron cihazdır.

MoS₂ və WSe₂ kimi atomik nazik TMDC materialları yüksək keyfiyyətli kanal yarada bildikləri üçün tranzistor tədqiqatlarında istifadə olunur.

İcmalda verilən Olsen və həmkarlarının tədqiqatında dəyişdirilmiş qızıl-lent lay ayırma üsulu ilə hazırlanmış MoS₂ FET-lərdə otaq temperaturunda \(250\pm20\) cm² V⁻¹ s⁻¹ sahə-effektli daşıyıcı hərəkətliliyi bildirilmişdir.

Bu dəyərin araşdırılan CVD ilə yetişdirilmiş müqayisə cihazlarına nisbətən təxminən beş dəfə yüksək olduğu qeyd olunur. Nəticə müvafiq təcrübə şəraitindəki müqayisəyə aiddir; bütün CVD əsaslı tranzistorların universal olaraq eyni nisbətdə daha aşağı performans göstərdiyi mənasına gəlmir.

STM və STS ölçmələrinin rolu

Mənbə Şəkil 4-də qızıl dəstəkli lay ayırma və ənənəvi lent üsulu ilə əldə edilmiş WSe₂ təkqatlarının atomik səth xüsusiyyətləri müqayisə olunur.

Skan edən tunelləmə mikroskopiyası (STM) atomik səth quruluşunu öyrənmək üçün; skan edən tunelləmə spektroskopiyası (STS) isə yerli elektron hallar haqqında məlumat əldə etmək üçün istifadə olunmuşdur.

Verilən tədqiqatda qızıl dəstəkli üsulla əldə edilmiş WSe₂ nümunələrinin səth təmizliyi və nöqtə qüsuru vəziyyəti eyni başlanğıc kristaldan əldə edilmiş ənənəvi lent üsulu nümunələri ilə müqayisə edilə bilən səviyyədə olmuşdur.

STS nəticələri də materialın əsas elektron quruluşunun qorunduğunu dəstəkləyir.

Bu nəticələr metal dəstəkli ayrılmanın uyğun şəraitdə kristal keyfiyyətini qoruya bildiyini göstərir. Lakin bütün metal dəstəkli proseslərdə sıfır qüsur və ya sıfır çirklənmə zəmanəti vermir.

Geniş sahəli cihaz massivlərində vahidlik

İcmalda nəzərdən keçirilən Giza və həmkarlarının tədqiqatında geniş sahəli MoS₂ və WSe₂ laylarından istifadə etməklə 100-dən çox cihazı əhatə edən massivlər araşdırılmışdır.

Mənbə Şəkil 4-dəki AFM görüntüləri material səthlərinin hamarlığını, hərəkətlilik histoqramları isə cihazların elektrik xüsusiyyətlərinin paylanmasını göstərir.

Bu paylanmalar tək bir tranzistorda yüksək performans əldə etməkdən fərqli bir mühəndislik sualına cavab verir: eyni materialdan hazırlanmış çoxsaylı tranzistorlar bir-birinə nə qədər oxşar davranır?

Cihazlararası paylanmanın dar olması inteqral sxem istehsalında mühüm olan vahidliyi dəstəkləyir.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

İcmalın tədqiqat yanaşması

Bu tədqiqat yeni laboratoriya təcrübəsi, cihaz prototipi və ya ədədi simulyasiya seriyası həyata keçirməmişdir. Onun üsulu metal dəstəkli ikiölçülü material istehsalına dair dərc olunmuş tədqiqatlardakı fiziki mexanizmləri, material xarakterizasiyalarını, müxtəlif metal sistemlərini və elektron cihaz nəticələrini elmi şəkildə bir araya gətirən ədəbiyyat sintezidir.

İcmalın sübut mənbələri arasında Raman spektroskopiyası, STM/STS, HAADF-STEM, AFM, XRD, XPS, nəzəri hesablamalar, tranzistor hərəkətliliyi ölçmələri və CMOS dövrə xarakterizasiyaları vardır.

Bu üsulların hamısı icmal müəllifləri tərəfindən yeni ortaq təcrübədə tətbiq edilməmişdir. Hər bir üsul mənbələr siyahısındakı müvafiq orijinal tədqiqatın öz təcrübə quruluşuna aiddir.

Termodinamik uyğunluq və ayrılma keyfiyyəti

İcmalın ilk əsas elmi nəticəsi budur ki, lay ayrılması enerji tarazlığı ilə başlana bilsə də, keyfiyyətli təkqat istehsalı üçün interfeysin mexaniki davranışı da həlledicidir.

İnterfeys bağlanması kifayət deyilsə, metal materialı saxlaya bilməz. Digər tərəfdən yüksək bağlanma enerjisinin olması da təkbaşına hamar ayrılma müstəvisi yaratmır.

Xüsusilə qızıl dəstəkli MoS₂ sistemlərində deformasiya ilk iki lay arasındakı əlaqəni azaldaraq ayrılma mexanizminə əlavə seçicilik qazandıra bilər.

Mənbə şəkillərinin eksperimental sübut zəncirində rolu

Funksional elektron xüsusiyyətlərin qorunması

Atomik keyfiyyətli ikiölçülü materiallarla hazırlanmış tranzistorların performansına təsir edən əsas mexanizmlərdən biri yükdaşıyıcıların qüsurlar və dənə sərhədlərində səpilməsidir.

Monokristal başlanğıc materiallardan əldə edilən geniş təkqatlar CVD ilə çoxsaylı nüvələnmə bölgəsindən yetişdirilən polikristal plyonkalarda ola biləcək dənə sərhədlərini azalda bilər.

Bu vəziyyət uyğun cihaz dizaynında daha yüksək daşıyıcı hərəkətliliyinə yaxınlaşmağa imkan verir. Bununla belə, elektrik performansı yalnız lay ayırma keyfiyyəti ilə müəyyən edilmir; elektrod təmasları, altlıq, dielektrik və cihaz arxitekturası da mühümdür.

Naxışlı lay ayırma və yer seçimi

Mənbə Şəkil 5 MAE texnologiyasının təsadüfi fraqment istehsalından müəyyən mövqelərdə istənilən formalı layların hazırlanmasına doğru irəlilədiyini göstərir.

Qızıl şablonların həndəsəsini əvvəlcədən layihələndirməklə ikiölçülü materialların hansı sahələrdə saxlanılacağı və köçürüləcəyi üzərində nəzarət təmin edilə bilər.

Bu yanaşma sonrakı bəzi aşındırma əməliyyatlarını azalda və materialın kristal qəfəsinin lazımsız proses addımlarında zədələnmə riskini aşağı sala bilər.

Yer seçimi və forma nəzarəti xüsusilə çoxsaylı tranzistorların nizamlı dövrə həndəsəsində yerləşdirilməli olduğu tətbiqlərdə vacibdir.

CMOS məntiq dövrələrinə inteqrasiya

Tamamlayıcı metal-oksid-yarımkeçirici (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS) arxitekturası n-tipli və p-tipli tranzistorların birlikdə istifadə edildiyi və aşağı statik güc sərfiyyatına uyğun məntiq dövrələri yarada bilən elektron dizayn yanaşmasıdır.

İcmalda verilən tədqiqatlarda qızıl dəstəkli ayrılma ilə əldə edilən ikiölçülü materiallardan n-tipli və p-tipli FET-lər hazırlanmış və onlar CMOS invertor dövrələrinə inteqrasiya edilmişdir.

Mənbə Şəkil 5-də 50 CMOS invertorun müxtəlif qidalanma gərginlikləri altında xarakterizasiyası göstərilir. İstifadə olunan qidalanma gərginlikləri 1, 2 və 3 V-dur.

Gərginlik ötürmə əyriləri aydın məntiqi inversiya göstərmiş, keçid həddinin təxminən \(V_{\mathrm{DD}}/2\) yaxınlığında olduğu bildirilmişdir.

Müvafiq təcrübələrdə ən aşağı gecikmə müddəti 20 µs, ən aşağı statik güc sərfiyyatı isə 44 pW olaraq bildirilmişdir.

Bu iki rəqəm icmalda verilən müvafiq CMOS tədqiqatının nəticələridir. Hər iki dəyərin bütün iş şəraitində və ya bütün ikiölçülü CMOS texnologiyalarında ümumi performans sərhədi olduğu nəticəsinə gəlmək olmaz.

Yaş aşındırma ilə quru köçürmə arasındakı fərq

Ənənəvi qızıl plyonka üzərindən lay köçürmə proseslərinin bəzi versiyalarında qızıl plyonkanı uzaqlaşdırmaq üçün KI/I₂ kimi aşındırıcı kimyəvi maddələrdən istifadə olunur.

Yaş aşındırma zamanı oksidləşmə, arzuolunmaz dopinq, səth qalıqları və qəfəs zədəsi yaranma riski vardır. Bu təsirlər ikiölçülü yarımkeçiricinin başlanğıcda qorunan xüsusiyyətlərini sonrakı proses mərhələsində poza bilər.

Bu problemi azaltmaq üçün hazırlanmış yanaşmalardan biri qızıl tor və polikarbonat (PC) ehtiva edən kompozit lay ayırma lentidir.

Metal ehtiva edən tor sahələri kristalın ayrılmasını dəstəklədiyi halda, qızıl olmayan açıq sahələr layın sonrakı altlığa köçürülməsi zamanı buraxma bölgələri kimi işləyə bilər.

İcmalda verilən quru köçürmə üsulu kimyəvi aşındırma ehtiyacını azaltmaqla materialın elektron xüsusiyyətlərinin qorunmasına kömək edə biləcək proses variantıdır.

Müvafiq MoS₂ tranzistorlarının çıxış xarakteristikalarında xətti davranışın müşahidəsi uyğun omik təmasın yaranması ilə əlaqələndirilmişdir.

Moiré superqəfəs strukturlarının hazırlanması

İkiölçülü kristalların bir-birinin üzərinə çox kiçik bucaq fərqləri ilə yerləşdirilməsi Moiré adlanan məkan interferensiya naxışlarını yarada bilər.

Bu strukturlarda iki lay arasındakı dönmə bucağı elektron zona quruluşunu və laylararası əlaqəni dəyişə bilər. Buna görə düz zonalar və korrelyasiyalı elektron hallar kimi tədqiqat mövzuları üçün bucağın nəzarətli şəkildə hazırlanması vacibdir.

İcmalda nəzərdən keçirilən qızıl şablon dəstəkli üsullarda Moiré superqəfəs strukturlarının 0,3 dərəcədən aşağı bucaq xətası ilə hazırlana bildiyi bildirilmişdir.

Bu dəyər müəyyən tədqiqatdakı bucaq nəzarəti performansını ifadə edir; bütün ikiölçülü materiallarda eyni bucaq dəqiqliyinin öz-özünə təmin olunduğunu göstərmir.

İcmalda verilən seçilmiş kəmiyyət sübutları

Məlumat statusu: Bu cədvəl tək bir təcrübənin ortaq nəticələrini göstərmir. Kəmiyyət dəyərləri icmalın müxtəlif bölmələrində verilən, fərqli orijinal tədqiqatlara aid nəticələrdən seçilərək müstəqil tədris xarakterli düzəndə hazırlanmışdır. Dəyərlər arasında birbaşa statistik müqayisə aparılmamalıdır.

Metal dəstəkli lay ayırma sənaye istehsalına hazırdırmı?

Metal dəstəkli lay ayırma geniş sahəli və yüksək kristal keyfiyyətli ikiölçülü materiallardan tranzistor və məntiq dövrələri hazırlana bildiyini göstərən güclü tədqiqat nəticələrinə malikdir; lakin icmal texnologiyanın bütün prosesləri ilə yetkin fasiləsiz sənaye istehsalına çevrildiyini sübut etmir. Metalın maya dəyəri, səth oksidləşməsi, interfeys təmizliyi, təkrarlana bilmə, köçürmə keyfiyyəti və fasiləsiz xətt istehsalı mühüm inkişaf mövzuları olaraq qalır.

Sənaye miqyasında əsas məhdudiyyətlər

İcmal xüsusilə qiymətli metallardan istifadənin istehsal xərclərini artırdığını bildirir. Qızılın yüksək performans təmin edə bilməsi onun hər tətbiqdə ən iqtisadi metal olduğu demək deyil.

Daha ucuz metallardan istifadə isə başqa problem yaradır: səth oksidləşməsi və ya materialla arzuolunmaz güclü kimyəvi qarşılıqlı təsirlər ayrılma keyfiyyətinə təsir göstərə bilər.

Başqa bir çətinlik laboratoriyada tək bir hamar kristal əldə etməklə fasiləsiz istehsal xəttində çoxsaylı oxşar kristallar əldə etmək arasındakı fərqdir. Geniş sahə, yüksək məhsuldarlıq, aşağı qüsur sıxlığı və təkrarlana bilən elektrik xüsusiyyətləri eyni vaxtda təmin edilməlidir.

Mənbə həmçinin metal atomlarının materiala diffuziyası, interfeysdə oksidləşmə, gözlənilməz dopinq və sonrakı köçürmə proseslərində zədələnmə risklərinin tam aradan qalxmadığını vurğulayır.

Rulondan-rulona istehsal imkanı

Rulondan-rulona (roll-to-roll) emal materialın hərəkətli daşıyıcı səth üzərində fasiləsiz işlənildiyi istehsal yanaşmasıdır.

İcmal gələcəkdə MAE texnologiyasının bu cür fasiləsiz istehsal üsulları ilə birləşdirilməsini mühüm tədqiqat istiqaməti kimi qiymətləndirir.

Lakin məqalə yeni rulondan-rulona MAE istehsal xətti qurub uzunmüddətli performansını təsdiqləməmişdir. Bu texnologiya əlaqəsi gələcək inkişaf hədəfidir.

Metalın geri qazanılması və proses iqtisadiyyatı

Metal dəstəkli lay ayırmanın geniş yayılmış istehsal texnologiyasına çevrilməsində istifadə olunan metalın maya dəyəri, sərfiyyatı və mümkünsə geri qazanılması vacibdir.

Mis və nikel kimi daha iqtisadi seçimlərin inkişaf etdirilməsi, qızıl üçün təkrar emal proseslərinin yaxşılaşdırılması və köçürmə addımlarının azaldılması icmalda göstərilən həll yolları arasındadır.

Bununla belə, mənbə bütün metal seçimlərinin ətraflı iqtisadi təhlilini və ya istehsal vahidi başına təsdiqlənmiş maya dəyəri hesablamasını təqdim etmir.

Elektrik və optik xüsusiyyətlərin birlikdə qorunması

Metal seçiminin mühüm nəticələrindən biri eyni səthin elektrik təması və optik fotolüminessensiya üzərində fərqli təsirlər yarada bilməsidir.

Qızıl dəstəkli sistemlər yüksək kristal keyfiyyəti və elektron cihaz istehsalı baxımından uğurlu nəticələr göstərə bilsə də, birbaşa metal təması optik emissiyanı zəiflədə bilər.

Buna qarşılıq, müəyyən gümüş nanostrukturları plazmonik qarşılıqlı təsirlər vasitəsilə fotolüminessensiyanı artıra bilər.

Gələcək interfeys mühəndisliyi yalnız daşıyıcı hərəkətliliyini deyil, fotocavabı, işıq emissiyasını və uzunmüddətli sabitliyi birlikdə optimallaşdırmalıdır.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

• Metal dəstəkli lay ayrılması ənənəvi lent üsuluna nisbətən daha geniş sahəli təkqatların hazırlanması üçün güclü texniki seçimdir.
• Qızıl dəstəkli MoS₂ ayrılmasında deformasiya mənşəli laylararası ayrışma mühüm mexanizmdir.
• İnterfeys bağlanma enerjisi ilə tətbiq olunan mexaniki şərait birlikdə qiymətləndirilməlidir.
• Qızıl səthinin qalınlığı, təmizliyi, təzəliyi və kobudluğu ayrılma keyfiyyətinə təsir göstərə bilər.
• Gümüş, palladium, mis və nikel kimi metallar uyğun hazırlama şəraitində alternativ lay ayırma proseslərində istifadə edilə bilər.
• Qallium interkalasiyası lay məsafəsini artıra və bəzi materiallarda faza keçidi ilə əlaqəli ola bilər.
• Metal dəstəkli üsullarla əldə edilən təkqatlar yüksək performanslı sahə-effektli tranzistorlarda istifadə oluna bilər.
• Naxışlı köçürmə və quru transfer üsulları ikiölçülü materialların daha mürəkkəb cihaz arxitekturalarına inteqrasiyasını dəstəkləyir.
• Müvafiq orijinal tədqiqatlarda CMOS invertorları və Moiré superqəfəs strukturları üçün konkret cihaz səviyyəli nümayişlər həyata keçirilmişdir.

Tədqiqatın dəstəkləmədiyi nəticələr

• Bütün metal dəstəkli ayrılma üsullarının qüsursuz və qalıqsız material istehsal etdiyinə zəmanət vermir.
• Qızılın bütün material və cihazlarda ən yaxşı seçim olduğunu sübut etmir.
• Müxtəlif metallar üçün vahid universal deformasiya həddi müəyyən etmir.
• Qallium interkalasiyasının bütün ikiölçülü materiallarda eyni faza dəyişikliyi yaratdığını göstərmir.
• Müəyyən FET hərəkətliliyinin bütün metal dəstəkli tranzistorlarda əldə edilə biləcəyini göstərmir.
• İcmalda verilən müxtəlif cihaz performanslarının eyni laboratoriya şəraitində birbaşa müqayisə edilə bildiyini göstərmir.
• Metal dəstəkli lay ayrılmasının bütün sənaye xərci və fasiləsizlik problemlərini həll etdiyini sübut etmir.
• Tam miqyaslı kommersiya yarımkeçirici istehsal xəttində uzunmüddətli məhsuldarlığı, etibarlılığı və iqtisadi üstünlüyü təsdiqləmir.

İcmal üsulunun məhdudiyyətləri

Bu tədqiqatın təqdim etdiyi eksperimental sübutlar müxtəlif orijinal nəşrlərdən gəlir. Başlanğıc kristallar, istifadə olunan metallar, altlıqlar, təmas şəraiti və elektron cihaz arxitekturaları eyni deyil. Buna görə icmalın kəmiyyət nəticələri nəzarətli vahid müqayisəli təcrübədə ölçülmüş dəyərlər kimi qiymətləndirilməməlidir.

Bundan əlavə, icmal yeni istehsal xətti yaratmadığı üçün sənaye miqyasında böyütmənin real məhsuldarlıq, maya dəyəri, ətraf mühit təsiri və uzunmüddətli keyfiyyətə nəzarət tələblərini birbaşa ölçməmişdir.

Mənbədə önə çıxarılan tədqiqat istiqamətləri nəzarətli deformasiya mühəndisliyi, aşağı maya dəyərli metal alternativləri, oksidləşməsiz emal, metalın geri qazanılması, fasiləsiz istehsal və mürəkkəb van der Waals heterostrukturlarının dəqiq inteqrasiyasıdır.

Mənbə və Metod Qeydi

Orijinal tədqiqat: Metal-Assisted Exfoliation of Two-Dimensional Materials: From Mechanisms to Large-Scale Applications.

Müəlliflər: Manyao Wang; Zongyu Huang; Yang Chen; Xiang Qi.

Məsul müəlliflər: Zongyu Huang; Yang Chen.

Qurum: Hunan Key Laboratory for Micro-Nano Energy Materials and Devices, School of Physics and Optoelectronics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China.

Jurnal: Chemistry.

Nəşriyyat: MDPI.

Biblioqrafik qeyd: Chemistry 2026, 8(5), 64.

DOI: 10.3390/chemistry8050064.

Rəsmi nəşr bağlantısı: https://www.mdpi.com/2624-8549/8/5/64

Nəşr tarixi: 7 may 2026. Məqalə 15 aprel 2026-da alınmış, 30 aprel 2026-da yenidən işlənmiş və 5 may 2026-da qəbul edilmişdir.

Nəşr növü: Rəyli, açıq girişli elmi icmal (Review).

Məqalə kolleksiyası: Functional Materials: Cross-Scale Innovations from Molecular Design to Macroscopic Applications.

Mənbə lisenziyası: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

Əsas metod: Metal dəstəkli ikiölçülü material ayrılmasına dair eksperimental və nəzəri tədqiqatların interfeys qarşılıqlı təsirləri, deformasiya mənşəli ayrışma, metal növlərinin təsiri, atomik xarakterizasiya, material köçürülməsi və elektron cihaz inteqrasiyası baxımından elmi qiymətləndirilməsi.

Əsas fiziki tənlik: \(\Delta G=E_{\mathrm{inter}}-E_{\mathrm{int}}\). Mənbə modelində \(\Delta G<0\), lay ayrılmasının termodinamik baxımdan əlverişli olduğu şərti göstərir.

Əsas materiallar: Qrafen, MoS₂, WS₂, MoSe₂, WSe₂, h-BN və icmalda araşdırılan digər laylı materiallar.

Əsas metal sistemləri: Au, Ag, Pd, Cu, Ni və maye Ga.

Araşdırılan xarakterizasiya üsulları: Raman spektroskopiyası, HAADF-STEM, AFM, STM, STS, XRD və XPS. Bu üsullarla əldə edilən nəticələr icmalda istinad olunan müxtəlif orijinal nəşrlərə aiddir.

Eksperimental məlumat statusu: Tədqiqat yeni eksperimental məlumat dəsti, ortaq ölçmə kampaniyası və ya yeni istehsal prototipi təqdim etmir. Mövcud ədəbiyyatda bildirilən nəticələri sintez edir.

Məlumatların əlçatanlığı: Mənbə tədqiqatda məlumat paylaşımının tətbiq edilə bilmədiyi bildirilmişdir.

Maliyyələşdirmə: Tədqiqat National Natural Science Foundation of China tərəfindən 12304091 nömrəli qrant və Natural Science Foundation of Hunan Province of China tərəfindən 2025JJ50054 nömrəli qrant çərçivəsində dəstəklənmişdir.

Müəllif töhfələri: Konseptuallaşdırma Manyao Wang; ilkin layihə Manyao Wang; nəzərdən keçirmə və redaktə Zongyu Huang, Yang Chen və Xiang Qi; vizuallaşdırma Manyao Wang; məsləhətçilik Zongyu Huang, Yang Chen və Xiang Qi; maliyyələşdirmənin əldə edilməsi Zongyu Huang və Xiang Qi olaraq bildirilmişdir.

Maraqların toqquşması: Müəlliflər məqalə ilə bağlı maraqlar toqquşmasının olmadığını bildirmişlər.

Şəkil və üçüncü tərəf müəllif hüquqları vəziyyəti: Mənbə Şəkil 1–5 müxtəlif nəşrlərdən toplanmış və ya icazə ilə yenidən dərc edilmiş elmi görüntü, qrafik və sxemləri əhatə edir. Əsas məqalənin CC BY lisenziyası ayrıca üçüncü tərəf hüquq bildirişlərinin hamısını avtomatik aradan qaldırmır. Verianla məqaləsində bu şəkillər birbaşa köçürülməmiş, fiziki mexanizmlər və kəmiyyət nəticələri müstəqil izahlar və cədvəllərlə təmsil edilmişdir.

Əsas metodoloji məhdudiyyət: Bu məqalə ədəbiyyat icmalıdır. Müxtəlif orijinal tədqiqatlarda əldə edilmiş hərəkətlilik, gecikmə, güc, optik cavab və lay ayırma nəticələri tək təcrübənin ortaq çıxışları deyil. İcmal sənaye seriya istehsalının etibarlılığını və ya tam miqyaslı iqtisadi tətbiq oluna bilməni müstəqil şəkildə sınaqdan keçirməmişdir.

Elmi istifadə sərhədi: Bu Verianla mətni orijinal icmalın nəzərdən keçirdiyi fiziki mexanizmləri, texnoloji üsulları, eksperimental sübutların kontekstini və tətbiq məhdudiyyətlərini müstəqil öyrədici quruluşda izah edir. Orijinal mikroskopiya görüntüləri, təcrübə quruluşları, ətraflı ölçmələr, ədəbiyyat siyahısı və akademik istinad üçün DOI vasitəsilə orijinal nəşr və icmalda istinad edilən ilkin tədqiqatlar araşdırılmalıdır.