کوچک‌ترشدن ابعاد قطعات الکترونیکی، مهندسان را به سمت استفاده از موادی سوق داده است که ضخامت آن‌ها به چند لایه اتمی می‌رسد. موادی مانند گرافن و دی‌سولفید مولیبدن (MoS₂) به دلیل ویژگی‌های الکتریکی و ساختار دوبعدی خود، گزینه‌هایی جذاب برای توسعه نسل‌های آینده ترانزیستورها و تراشه‌های کم‌مصرف به شمار می‌روند. بااین‌حال، ساخت یک لایه عایق بسیار نازک و یکنواخت روی این مواد همچنان چالشی مهم است؛ زیرا سطح اتمی صاف آن‌ها پیوندهای شیمیایی فعالی در اختیار نمی‌گذارد تا مواد عایق به‌آسانی روی آن رشد کنند.
اکنون گروهی بین‌المللی از پژوهشگران به سرپرستی محققانی از دانشگاه ایلینوی در اربانا-شمپین (University of Illinois Urbana-Champaign)، با همکاری آزمایشگاه ملی فناوری انرژی وزارت انرژی ایالات متحده (NETL)، آزمایشگاه ملی آرگون (Argonne National Laboratory) و دانشگاه موناش (Monash University)، راهکاری تازه برای حل این مشکل ارائه کرده‌اند. در این روش، نقاط کربنی بسیار ریز که از زغال‌سنگ به دست آمده‌اند، به‌عنوان لایه‌ای واسط میان سطح ماده دوبعدی و عایق موردنظر عمل می‌کنند. نتایج این پژوهش در مجله علمی «نیچر کامیونیکیشنز» (Nature Communications) منتشر شده است.
نقاط کربنی مورد استفاده در این پژوهش، ساختاری شبه‌گرافنی دارند و عرض آن‌ها بین یک تا پنج نانومتر است؛ ضخامت آن‌ها نیز تقریباً به یک لایه اتمی می‌رسد. پژوهشگران این نقاط را با روشی موسوم به لانگمویر-شفر (Langmuir-Schaefer) روی سطح گرافن یا دی‌سولفید مولیبدن منتقل کردند. در این فرایند، نقاط کربنی روی سطح آب پخش می‌شوند، با فشرده‌سازی به آرایشی متراکم درمی‌آیند و سپس به سطح ماده هدف انتقال می‌یابند. حاصل این فرایند، لایه‌ای یکپارچه با ضخامت حدود ۰٫۴ نانومتر است.
این لایه بسیار نازک، بدون ایجاد پیوند شیمیایی گسترده با ماده دوبعدی، از طریق نیروهای ضعیف واندروالسی روی سطح آن قرار می‌گیرد. در عین حال، گروه‌های شیمیایی موجود در لبه نقاط کربنی، جایگاه‌هایی مناسب برای آغاز رشد لایه عایق فراهم می‌کنند. به این ترتیب، نقاط کربنی مانند یک پوشش آغازگر عمل می‌کنند و شرایط لازم را برای رسوب‌دهی یکنواخت اکسید هافنیوم (HfO₂) فراهم می‌سازند.
اهمیت این راهکار زمانی روشن‌تر می‌شود که عملکرد آن با روش‌های متداول مقایسه شود. در نبود نقاط کربنی، اکسید هافنیوم روی سطح مواد دوبعدی به شکل جزیره‌هایی ناهموار و متخلخل رشد می‌کند. چنین ساختاری می‌تواند کیفیت عایق‌کاری را کاهش دهد و عملکرد قطعات الکترونیکی را تحت تأثیر قرار دهد. اما حضور لایه نقاط کربنی به رشد فیلمی صاف و یکنواخت از اکسید هافنیوم با ضخامت حدود ۱٫۶ نانومتر انجامید. چینگ کائو (Qing Cao)، استاد دانشگاه ایلینوی، این نقاط را پوششی آغازگر برای رشد لایه‌های عایق نازک و باکیفیت روی مواد دوبعدی توصیف کرده است.
آزمایش‌های الکتریکی نیز نتایج قابل‌توجهی نشان دادند. لایه عایق ترکیبی نقاط کربنی و اکسید هافنیوم به ضخامت اکسیدی معادل حدود ۰٫۶ نانومتر دست یافت؛ شاخصی که برای مقایسه توانایی عایق‌ها در کنترل میدان الکتریکی به کار می‌رود. چگالی جریان نشتی این ساختار کمتر از (۱۰^{-۴}) آمپر بر سانتی‌متر مربع گزارش شد و میدان الکتریکی شکست آن به ۲۸ مگاولت بر سانتی‌متر رسید. افزون بر این، لایه عایق پس از عملیات حرارتی در دمای ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد پایداری خود را حفظ کرد؛ ویژگی‌ای مهم برای فرایندهای ساخت نیمه‌رسانا که ممکن است به دماهای بالا نیاز داشته باشند.
پژوهشگران سپس از این ساختار عایق برای ساخت ترانزیستورهای گرافنی با گیت بالایی استفاده کردند. در این آرایش، الکترود کنترل‌کننده جریان در بالای کانال نیمه‌رسانا قرار می‌گیرد. تحرک حامل‌های بار در این ترانزیستورها حدود ۳۲۰۰ سانتی‌متر مربع بر ولت‌ثانیه اندازه‌گیری شد؛ درحالی‌که این مقدار برای دستگاه‌های مرجع با گیت پایینی روی عایق سیلیکون‌اکسید حدود ۱۰۰۰ سانتی‌متر مربع بر ولت‌ثانیه بود. بنابراین، تحرک اندازه‌گیری‌شده در ساختار جدید تقریباً سه برابر نمونه مرجع بود. همچنین، پسماند ولتاژی دستگاه حدود ۱۵ میلی‌ولت گزارش شد؛ شاخصی که میزان تفاوت رفتار قطعه هنگام افزایش و کاهش ولتاژ را نشان می‌دهد.
ترانزیستورهای ساخته‌شده بر پایه دی‌سولفید مولیبدن نیز عملکرد امیدوارکننده‌ای داشتند. نوسان زیرآستانه‌ای آن‌ها به حد نظری نزدیک شد که در دمای اتاق حدود ۶۰ میلی‌ولت به‌ازای هر ده‌برابر تغییر جریان است. پسماند ولتاژی کمتر از ۳۰ میلی‌ولت، ولتاژ آستانه نزدیک به صفر و تغییر ولتاژ آستانه کمتر از ۲۵ میلی‌ولت در آزمون تنش بایاس از دیگر نتایج گزارش‌شده بود. این ویژگی‌ها برای کنترل دقیق جریان و کاهش مصرف انرژی در قطعات الکترونیکی اهمیت دارند.
برای بررسی امکان تولید در سطح بزرگ‌تر، پژوهشگران مجموعه‌ای از ترانزیستورها را روی دی‌سولفید مولیبدن رشد‌یافته به روش رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) ساختند. بازده ساخت بدون خرابی گیت در این آرایه بیش از ۹۰ درصد بود؛ نتیجه‌ای که از قابلیت بالقوه روش برای ساخت تعداد بیشتری از قطعات حکایت دارد، هرچند به‌تنهایی برای اثبات آمادگی کامل آن جهت تولید انبوه کافی نیست.
گروه پژوهشی همچنین با استفاده از ترانزیستورهای ساخته‌شده، یک اینورتر و یک گیت منطقی NOR طراحی کرد. هر دو مدار با ولتاژ تغذیه ۰٫۵ ولت کار کردند. دستیابی به عملکرد منطقی در چنین ولتاژ پایینی می‌تواند برای توسعه مدارهای الکترونیکی کم‌مصرف اهمیت داشته باشد، به‌ویژه در کاربردهایی که مصرف انرژی و محدودیت ابعاد از عوامل تعیین‌کننده هستند.
پژوهشگران اکنون با همکاری آزمایشگاه ملی فناوری انرژی آمریکا در حال بررسی مسیر انتقال این روش به فرایندهای ساخت نیمه‌رسانا هستند. یکی از مسائل مهم در این مرحله، اطمینان از خلوص نقاط کربنی و حذف ناخالصی‌هایی است که ممکن است با الزامات ساخت مدارهای مجتمع مبتنی بر فناوری مکمل اکسید فلز-نیمه‌رسانا (CMOS) سازگار نباشند.
این دستاورد نشان می‌دهد ماده‌ای مانند زغال‌سنگ، پس از تبدیل و فرآوری مناسب، می‌تواند در توسعه فناوری‌های پیشرفته الکترونیکی نقش داشته باشد. بااین‌حال، ارزش اصلی پژوهش تنها در منشأ کربن نیست، بلکه در ارائه روشی برای رشد عایق‌های بسیار نازک و باکیفیت روی سطوحی است که پیش‌تر آماده‌سازی آن‌ها دشوار بود. ارزیابی پایداری بلندمدت، سازگاری با خطوط تولید صنعتی و تکرارپذیری نتایج در مقیاس بزرگ‌تر، گام‌های بعدی برای تعیین ظرفیت واقعی این فناوری خواهند بود.