(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een nieuwe 'template growth'-techniek ontwikkeld voor het fabriceren van grafeenapparaten op nanometerschaal. De methode gaat in op wat een belangrijk obstakel was geweest voor het gebruik van dit veelbelovende materiaal in toekomstige generaties van hoogwaardige elektronische apparaten.

De techniek omvat het etsen van patronen in de siliciumcarbide-oppervlakken waarop epitaxiaal grafeen wordt gekweekt. De patronen dienen als sjablonen die de groei van grafeenstructuren sturen, waardoor de vorming van nanolinten van specifieke breedtes mogelijk is zonder het gebruik van e-beams of andere destructieve snijtechnieken. Grafeen nanolinten die met deze sjablonen zijn geproduceerd, hebben gladde randen die problemen met elektronenverstrooiing voorkomen.

"Door deze aanpak te gebruiken, we kunnen zeer smalle linten van onderling verbonden grafeen maken zonder de ruwe randen, zei Walt de Heer, een professor aan de Georgia Tech School of Physics. "Alles wat kan worden gedaan om kleine structuren te maken zonder ze te hoeven snijden, zal nuttig zijn voor de ontwikkeling van grafeenelektronica, want als de randen te ruw zijn, elektronen die door de linten gaan, verspreiden zich tegen de randen en verminderen de gewenste eigenschappen van grafeen."

De nieuwe techniek is gebruikt om een ​​reeks van 10, 000 top-gated grafeentransistors op een chip van 0,24 vierkante centimeter - vermoedelijk de grootste dichtheid van grafeenapparaten die tot nu toe zijn gemeld.

Het onderzoek werd op 3 oktober gerapporteerd in de geavanceerde online-editie van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie . Het werk werd ondersteund door de National Science Foundation, de WM Keck Foundation en het Nanoelectronics Research Initiative Institute for Nanoelectronics Discovery and Exploration (INDEX).

Bij het maken van hun grafeen-nanostructuren, De Heer en zijn onderzoeksteam gebruiken eerst conventionele micro-elektronicatechnieken om minuscule "stapjes" - of contouren - in een siliciumcarbidewafel te etsen. Vervolgens verwarmen ze de voorgevormde wafel tot ongeveer 1, 500 graden Celsius, die het smelten initieert dat eventuele ruwe randen polijst die door het etsproces zijn achtergelaten.

Vervolgens gebruiken ze gevestigde technieken om grafeen uit siliciumcarbide te laten groeien door de siliciumatomen van het oppervlak te verdrijven. In plaats van een consistente laag grafeen van één atoom dik over het oppervlak van de wafel te produceren, echter, de onderzoekers beperken de opwarmtijd zodat grafeen alleen aan de randen van de contouren groeit.

Om dit te doen, ze profiteren van het feit dat grafeen op bepaalde facetten van het siliciumcarbidekristal sneller groeit dan op andere. De breedte van de resulterende nanoribbons is evenredig met de diepte van de contour, het verstrekken van een mechanisme voor het nauwkeurig regelen van de nanoribbons. Om complexe grafeenstructuren te vormen, meerdere etsstappen kunnen worden uitgevoerd om een ​​complexe sjabloon te maken, de Heer uitgelegd.

"Door het siliciumcarbide te gebruiken om de sjabloon te leveren, we kunnen grafeen kweken in precies de maten en vormen die we willen, " zei hij. "Door stappen van verschillende diepten te snijden, kunnen we grafeenstructuren creëren die onderling verbonden zijn zoals we willen dat ze zijn.

In grafeenlinten op nanometerschaal, kwantumopsluiting zorgt ervoor dat het materiaal zich gedraagt ​​als een halfgeleider die geschikt is voor het maken van elektronische apparaten. Maar in linten van een micron of meer breed, het materiaal fungeert als geleider. Door de diepte van de siliciumcarbide-sjabloon te regelen, kunnen de onderzoekers deze verschillende structuren tegelijkertijd creëren, met hetzelfde groeiproces.

"Hetzelfde materiaal kan een geleider of een halfgeleider zijn, afhankelijk van de vorm, " merkte de Heer op, die ook een faculteitslid is in het door de National Science Foundation ondersteunde Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) van Georgia Tech. "Een van de grote voordelen van grafeenelektronica is dat de bedrading van het apparaat en de halfgeleidende linten van hetzelfde materiaal zijn gemaakt. Dat is belangrijk om elektrische weerstand te vermijden die zich opbouwt op kruispunten tussen verschillende materialen."

Na vorming van de nanoribbons - die tot 40 nanometer smal kunnen zijn - passen de onderzoekers een diëlektrisch materiaal en een metalen poort toe om veldeffecttransistoren te bouwen. Hoewel succesvolle fabricage van hoogwaardige transistors de levensvatbaarheid van grafeen als elektronisch materiaal aantoont, de Heer ziet ze als slechts de eerste stap in wat er met het materiaal gedaan zou kunnen worden.

"Als het ons lukt om apparaten op nanoschaal goed te maken, we kunnen dan doorgaan met het maken van veel kleinere en fijnere structuren die verder gaan dan conventionele transistors om de mogelijkheid te openen voor meer geavanceerde apparaten die elektronen meer als licht dan deeltjes gebruiken, " zei hij. "Als we kwantummechanische eigenschappen in elektronica kunnen verwerken, dat gaat veel nieuwe mogelijkheden openen."

De Heer en zijn onderzoeksteam werken nu aan kleinere constructies, en om de grafeenapparaten met silicium te integreren. De onderzoekers werken ook aan het verbeteren van de veldeffecttransistors met dunnere diëlektrische materialen.

uiteindelijk, grafeen kan de basis vormen voor een generatie hoogwaardige apparaten die voordeel zullen halen uit de unieke eigenschappen van het materiaal in toepassingen waar de hogere kosten gerechtvaardigd kunnen zijn. Silicium zal blijven worden gebruikt in toepassingen die niet zulke hoge prestaties vereisen, zei de Heer.

"Dit is weer een stap die aantoont dat onze methode om met epitaxiaal grafeen op siliciumcarbide te werken de juiste benadering is en waarschijnlijk zal worden gebruikt voor het maken van grafeenelektronica, " voegde hij eraan toe. "Dit is een belangrijke nieuwe stap in de richting van elektronicaproductie met grafeen."