(PhysOrg.com) -- Een eenvoudig eenstapsproces dat zowel n-type als p-type doping van grafeenoppervlakken met een groot oppervlak produceert, zou het gebruik van het veelbelovende materiaal voor toekomstige elektronische apparaten kunnen vergemakkelijken. De dopingtechniek kan ook worden gebruikt om de geleidbaarheid te verhogen in grafeen-nanoribbons die worden gebruikt voor onderlinge verbindingen.

Door een commercieel verkrijgbaar spin-on-glass (SOG) materiaal op grafeen aan te brengen en het vervolgens bloot te stellen aan elektronenstraalstraling, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology creëerden beide soorten doping door simpelweg de blootstellingstijd te variëren. Hogere niveaus van e-beam energie geproduceerde p-type gebieden, terwijl lagere niveaus n-type gebieden produceerden.

De techniek werd gebruikt om pn-overgangen met hoge resolutie te fabriceren. Wanneer goed gepassiveerd, de door de SOG gecreëerde doping zal naar verwachting voor onbepaalde tijd in de door de onderzoekers bestudeerde grafeenvellen blijven.

"Dit is een belangrijke stap in de richting van het mogelijk maken van complementaire metaaloxide-grafeentransistors, " zei Raghunath Murali, een senior onderzoeksingenieur in het Nanotechnology Research Center van Georgia Tech.

Een paper waarin de techniek wordt beschreven, verschijnt deze week in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven. Het onderzoek werd ondersteund door de Semiconductor Research Corporation en het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) via het Interconnect Focus Center.

In het nieuwe dopingproces Murali en promovendus Kevin Brenner beginnen met het verwijderen van grafeenvlokken van een tot vier lagen dik uit een blok grafiet. Ze plaatsen het materiaal op een oppervlak van geoxideerd silicium, fabriceer dan een vierpuntscontactapparaat.

Volgende, ze draaien op films van waterstofsilsesquoxaan (HSQ), hard vervolgens bepaalde delen van de resulterende dunne film uit met behulp van elektronenstraalstraling. De techniek zorgt voor nauwkeurige controle over de hoeveelheid straling en waar deze op het grafeen wordt toegepast, met hogere energieniveaus die overeenkomen met meer verknoping van de HSQ.

"We gaven verschillende doses elektronenstraalstraling en bestudeerden vervolgens hoe het de eigenschappen van dragers in het grafeenrooster beïnvloedde, "Zei Murali. "De e-beam gaf ons een fijn bereik van controle die waardevol zou kunnen zijn voor het fabriceren van apparaten op nanoschaal. We kunnen een elektronenbundel gebruiken met een diameter van vier of vijf nanometer die heel precieze dopingpatronen mogelijk maakt."

Elektronische metingen toonden aan dat een grafeen pn-overgang gecreëerd door de nieuwe techniek grote energiescheidingen had, wijst op sterke dopingeffecten, hij voegde toe.

Onderzoekers elders hebben grafeendoping aangetoond met behulp van een verscheidenheid aan processen, waaronder het materiaal in verschillende oplossingen weken en het blootstellen aan een verscheidenheid aan gassen. Er wordt aangenomen dat het Georgia Tech-proces het eerste is dat zowel elektronen- als gatendotering uit een enkel doteringsmateriaal verschaft.

Dopingprocessen die voor grafeen worden gebruikt, zullen waarschijnlijk aanzienlijk verschillen van die voor siliciumgebruik, zei Murali. In silicium, de doteringsstap vervangt atomen van een ander materiaal voor siliciumatomen in het rooster van het materiaal.

In het nieuwe eenstapsproces voor grafeen, de dotering wordt verondersteld om atomen van waterstof en zuurstof in de buurt van het koolstofrooster te introduceren. De zuurstof en waterstof vervangen geen koolstofatomen, maar bezetten in plaats daarvan locaties bovenop de roosterstructuur.

"Energie toegepast op de SOG verbreekt chemische bindingen en laat waterstof en zuurstof vrij die zich binden met het koolstofrooster, "Zei Murali. "Een hoge e-beam-energie zet de hele SOG-structuur om in meer een netwerk, en dan heb je meer zuurstof dan waterstof, resulterend in een p-type doping."

Bij volumeproductie, de elektronenbundelstraling zou waarschijnlijk worden vervangen door een conventioneel lithografieproces, zei Murali. Het variëren van de reflectie of transmissie van de maskerset zou de hoeveelheid straling regelen die de SOG bereikt, en dat zou bepalen of n-type of p-type gebieden worden gecreëerd.

"Alles in één stap maken zou een aantal van de dure lithografische stappen vermijden, " zei hij. "Grijs-schaal lithografie zou fijne controle van doping over het gehele oppervlak van de wafel mogelijk maken."

Voor dopingbulkgebieden zoals interconnects die geen patroonvorming vereisen, de onderzoekers bedekken het gebied eenvoudig met HSQ en stellen het bloot aan een plasmabron. De techniek kan de nanoribbons tot 10 keer meer geleidend maken dan onbehandeld grafeen.

Omdat HSQ al bekend is bij de micro-elektronica-industrie, de eenstapsbenadering van doping kan helpen om grafeen in bestaande processen te integreren, het vermijden van een verstoring van het massale ontwerp en fabricagesysteem voor halfgeleiders, merkte Murali op.

In de afgelopen twee jaar, onderzoekers van het Nanotechnology Research Center hadden veranderingen waargenomen die werden veroorzaakt door de toepassing van HSQ tijdens elektrische tests. Pas onlangs hebben ze nader bekeken wat er gebeurde om te begrijpen hoe ze voordeel konden halen uit het fenomeen.

Voor de toekomst, ze willen beter begrijpen hoe het proces werkt en of andere polymeren misschien betere resultaten opleveren.

"We moeten beter begrijpen hoe we dit proces kunnen beheersen, omdat variabiliteit een van de problemen is die moet worden gecontroleerd om productie mogelijk te maken, " verklaarde Murali. "We proberen andere polymeren te identificeren die een betere controle of sterkere dopingniveaus kunnen bieden."