在室温下稳定的新型超导墨水,可能会改变集成电路的制造方式

全球前沿科学 2023-04-19 14:40:05

世界上有许多专业墨水。墨水是专门为钢笔制作的,孩子们在玩自制的隐形墨水,研究人员创造了金属墨水来构建电路。导电油墨的优点是比电线更细(尤其是当油墨只有一个分子厚时),并且可以应用于柔性表面。应用范围从可穿戴电子产品到超级计算。

最新的研究是制造超导二维墨水。这种墨水可以改变为稀释冰箱等低温环境制造电路的方式。只有在使用保护涂层时才稳定的材料。这些材料制造复杂,产量低。

Xiaoyu Song和他的同事对这些墨水不满意,他们专注于一种材料:二硫化钨。WS2可以采用具有不同电子特性的不同晶格结构。该材料之前已作为墨水生产,但处于半导体结构阶段。对于称为1T'的不同原子排列,WS2被预测为超导。但之前通过机械剥离制备的1T'-WS2样品尚未被证明具有超导性。

为了制造墨水,研究人员通常从包含所需材料的离子固体开始。然后将该固体浸入酸中以去除不需要的成分。然而,由此产生的墨水通常包含缺陷——不止一种原子排列的单层。Schoop 和她的同事们意识到有必要改变制备方法。第一个区别是制造温度。他们从二硫化钨钾 (K0.5WS2) 开始,与其他可能的离子固体相比,它在最终油墨中产生的缺陷要少得多。与之前的尝试不同,他们没有在室温下产生离子固体。相反,他们使用加热到850°C的熔炉。这导致了具有1T′结构的所有WS2层的有序晶体。

为了去除钾离子,将K0.5WS2浸入稀酸中并进行超声处理。将超声处理与化学剥离相结合,保留了1T'结构。然后,只剩下WS2的单层。这种新工艺在室温下产生了高产量的金属油墨;墨水在7.3K以下变得超导。然后将这些1T'-WS2层放入离心机中,用水代替酸。墨水悬浮在水中,至少可以保存一个月。虽然这听起来很平常,但在室温下在水中保持稳定是二维超导墨水的一大飞跃。

使用时,可以将单分子厚的1T'-WS2墨水层印刷到某些基材上,例如硅-二氧化硅晶片和氧化铟锡涂层玻璃,以及柔性基材(例如有机硅弹性体)。至关重要的是,该墨水已被证明可在室温下稳定30天。电路可以在室温下组装,并安装在出现超导性的冰冻环境中。这种多功能性使其具有广泛的应用范围,包括集成电路和可穿戴设备。

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