(PhysOrg.com) -- Beweeg over silicium. Er is nieuw elektronisch materiaal in de stad, en het gaat snel. dat materiaal, de focus van de Nobelprijs voor natuurkunde 2010, is grafeen - een mooie naam voor extreem dunne lagen gewone koolstofatomen die zijn gerangschikt in een "kippengaas" -rooster. Deze lagen, soms slechts een enkel atoom dik, stroom geleiden met vrijwel geen weerstand, zeer weinig warmteontwikkeling -- en minder stroomverbruik dan silicium.

Nu de fabricage van siliciumapparaten haar fysieke grenzen nadert, veel onderzoekers geloven dat grafeen een nieuw platformmateriaal kan bieden waarmee de halfgeleiderindustrie haar opmars naar steeds kleinere en snellere elektronische apparaten kan voortzetten - vooruitgang beschreven in de wet van Moore. Hoewel grafeen waarschijnlijk nooit silicium zal vervangen voor alledaagse elektronische toepassingen, het zou het materiaal bij uitstek kunnen worden voor hoogwaardige apparaten.

En grafeen zou uiteindelijk een nieuwe generatie apparaten kunnen voortbrengen die zijn ontworpen om te profiteren van zijn unieke eigenschappen.

Sinds 2001, Georgia Tech is een wereldleider geworden in de ontwikkeling van epitaxiaal grafeen, een specifiek type grafeen dat op grote wafels kan worden gekweekt en van een patroon kan worden voorzien voor gebruik in de productie van elektronica. In een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology, Georgia Tech-onderzoekers meldden dat ze een reeks van 10, 000 top-gated transistors op een chip van 0,24 vierkante centimeter, een prestatie waarvan wordt aangenomen dat het de hoogste dichtheid is die tot nu toe is gerapporteerd in grafeenapparaten.

Bij het maken van die array, ze demonstreerden ook een slimme nieuwe aanpak voor het kweken van complexe grafeenpatronen op sjablonen die in siliciumcarbide zijn geëtst. De nieuwe techniek bood de oplossing voor een van de moeilijkste problemen waarmee grafeenelektronica werd geconfronteerd.

"Dit is een belangrijke stap in de richting van de productie van elektronica met grafeen, zei Walt de Heer, een professor aan de Georgia Tech's School of Physics die een pionier was in de ontwikkeling van grafeen voor hoogwaardige elektronica. "Dit is weer een stap die aantoont dat onze methode van werken met epitaxiaal grafeen dat op siliciumcarbide is gekweekt de juiste benadering is en waarschijnlijk zal worden gebruikt voor het maken van grafeenelektronica."

Uitgerolde koolstof nanobuisjes

Voor de Heer, het verhaal van grafeen begint met koolstofnanobuisjes, kleine cilindrische structuren die als wonderbaarlijk werden beschouwd toen ze voor het eerst door wetenschappers werden bestudeerd in 1991. De Heer was een van de onderzoekers die enthousiast waren over de eigenschappen van nanobuisjes, wiens unieke rangschikking van koolstofatomen hen fysieke en elektronische eigenschappen gaf waarvan wetenschappers dachten dat ze de basis zouden kunnen vormen voor een nieuwe generatie elektronische apparaten.

Koolstofnanobuisjes hebben nog steeds aantrekkelijke eigenschappen, maar het vermogen om ze consequent te laten groeien - en ze op te nemen in grootschalige elektronische toepassingen - is tot dusverre aan onderzoekers ontgaan. De Heer realiseerde zich eerder dan anderen dat koolstofnanobuisjes waarschijnlijk nooit zouden worden gebruikt voor elektronische apparaten met een groot volume.

Maar hij realiseerde zich ook dat de sleutel tot de aantrekkelijke elektronische eigenschappen van de nanobuisjes het rooster was dat door de koolstofatomen werd gecreëerd. Waarom laat je dat rooster niet gewoon op een plat oppervlak groeien, en fabricagetechnieken gebruiken die bewezen zijn in de micro-elektronica-industrie om apparaten te maken op vrijwel dezelfde manier als geïntegreerde siliciumcircuits?

Door siliciumcarbide - een veelgebruikt elektronisch materiaal - te verhitten, konden de Heer en zijn collega's siliciumatomen van het oppervlak drijven, alleen het koolstofrooster achterlatend in dunne lagen grafeen die groot genoeg zijn om de soorten elektronische apparaten te laten groeien die bekend zijn bij een generatie elektronica-ontwerpers.

Dat proces vormde de basis voor een patent dat in 2003 werd ingediend, en voor initiële onderzoeksondersteuning van chipmaker Intel. Vanaf dat moment, De Heers groep heeft tientallen artikelen gepubliceerd en heeft geholpen bij het ontstaan ​​van andere onderzoeksgroepen die ook epitaxiaal grafeen gebruiken voor elektronische apparaten. Hoewel wetenschappers nog steeds over het materiaal leren, bedrijven zoals IBM hebben onderzoeksprogramma's gelanceerd op basis van epitaxiaal grafeen, en instanties zoals de National Science Foundation (NSF) en Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hebben geïnvesteerd in de ontwikkeling van het materiaal voor toekomstige elektronische toepassingen.

Het werk van Georgia Tech aan de ontwikkeling van epitaxiaal grafeen voor het vervaardigen van elektronische apparaten werd erkend in het achtergronddocument dat werd geproduceerd door de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen als onderdeel van de Nobelprijsdocumentatie.

De race om commerciële toepassingen voor grafeen te vinden is intens, met onderzoekers uit de Verenigde Staten, Europa, Japan en Singapore hebben goed gefinancierde inspanningen geleverd. Sinds de toekenning van de Nobelprijs aan een groep uit het Verenigd Koninkrijk, de stroom nieuwsberichten over grafeenontwikkelingen is gegroeid.

"Ons epitaxiale grafeen wordt nu over de hele wereld gebruikt door veel onderzoekslaboratoria, ' merkte de Heer op. 'We bevinden ons waarschijnlijk in het stadium waarin silicium zich in de jaren vijftig bevond. Dit is het begin van iets dat heel groot en belangrijk gaat worden."

Silicium "zonder gas"

Er is een nieuw elektronicamateriaal nodig omdat de miniaturisatieruimte van silicium bijna op is.

"Voornamelijk we hebben de snelheidsverhogingen van silicium gekregen door de functiegroottes voortdurend te verkleinen en de interconnect-technologie te verbeteren, " zei Dennis Hess, directeur van het door de National Science Foundation gesponsorde Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), gevestigd aan Georgia Tech om toekomstige elektronische materialen te bestuderen, beginnend met epitaxiaal grafeen. "We zijn op het punt waar in minder dan 10 jaar, we zullen de functiegroottes niet verder kunnen verkleinen vanwege de fysica van de werking van het apparaat. Dat betekent dat we ofwel het type apparaat dat we maken moeten veranderen, of het elektronische materiaal dat we gebruiken wijzigen."

Het is een kwestie van natuurkunde. Op de zeer kleine schaal die nodig is om steeds dichtere apparaatarrays te creëren, silicium genereert te veel weerstand tegen elektronenstroom, meer warmte creëren dan kan worden afgevoerd en te veel stroom verbruiken.

Grafeen kent dergelijke beperkingen niet, En in feite, kan zorgen voor elektronenmobiliteit maar liefst 100 keer beter dan silicium. De Heer gelooft dat zijn groep de routekaart heeft ontwikkeld voor de toekomst van hoogwaardige elektronica - en dat deze is geplaveid met epitaxiaal grafeen.

"We hebben in feite een heel schema ontwikkeld om elektronica te maken van grafeen, " zei hij. "We hebben vastgesteld wat volgens ons de basisregels zullen zijn voor hoe dat zal werken, en we hebben de belangrijkste patenten binnen."

Silicium, natuurlijk, is gedurende vele generaties gerijpt door constant onderzoek en verbetering. De Heer en Hess zijn het erover eens dat silicium er altijd zal zijn, handig voor goedkope consumentenproducten zoals iPods, broodroosters, personal computers en dergelijke.

De Heer verwacht dat grafeen zijn niche zal vinden door dingen te doen die anders niet zouden kunnen.

"We proberen niet iets goedkopers of beters te doen; we gaan dingen doen die met silicium helemaal niet kunnen, ', zei hij. 'Elektronische apparaten zo klein maken als een molecuul, bijvoorbeeld, kan niet met silicium, maar zou in principe met grafeen kunnen. De belangrijkste vraag is hoe de wet van Moore kan worden uitgebreid in een post-CMOS-wereld."

In tegenstelling tot de koolstofnanobuisjes die hij in de jaren negentig bestudeerde, de Heer ziet geen grote problemen voor de ontwikkeling van epitaxiaal grafeen.

"Dat grafeen een grote speler gaat worden in de elektronica van de toekomst staat buiten kijf, "zei hij. "We zien geen echte wegversperringen voor de boeg. Er zijn geen knipperende rode lichten of andere tekenen die lijken te zeggen dat dit niet zal werken. Alle problemen die we zien, hebben betrekking op het verbeteren van technische problemen, en we weten hoe we dat moeten doen."

Het beste grafeen maken

Sinds het begin van de verkenning van grafeen in 2001, de Heer en zijn onderzoeksteam hebben continue verbeteringen aangebracht in de kwaliteit van het materiaal dat ze produceren, en die verbeteringen hebben hen in staat gesteld een aantal fysieke eigenschappen aan te tonen - zoals het Quantum Hall-effect - die de unieke eigenschappen van het materiaal verifiëren.

"De eigenschappen die we zien in ons epitaxiale grafeen zijn vergelijkbaar met wat we hebben berekend voor een ideale theoretische laag grafeen die in de lucht hangt, " zei Claire Berger, een onderzoekswetenschapper aan de Georgia Tech School of Physics die ook een faculteitsaanstelling heeft bij het Centre National de la Recherche Scientifique in Frankrijk. "We zien deze eigenschappen in het elektronentransport en we zien deze eigenschappen in allerlei soorten spectroscopie. Alles wat zou moeten gebeuren in een enkel vel grafeen zien we in onze systemen."

Sleutel tot de toekomst van het materiaal, natuurlijk, is het vermogen om elektronische apparaten te maken die consistent werken. De onderzoekers denken dat ze dat punt bijna hebben bereikt.

"All of the properties that epitaxial graphene needs to make it viable for electronic devices have been proven in this material, " said Ed Conrad, a professor in Georgia Tech's School of Physics who is also a MRSEC member. "We have shown that we can make macroscopic amounts of this material, and with the devices that are scalable, we have the groundwork that could really make graphene take off."

Reaching higher and higher device density is also important, along with the ability to control the number of layers of graphene produced. The group has demonstrated that in their multilayer graphene, each layer retains the desired properties.

"Multilayer graphene has different stacking than graphite, the material found in pencils, " Conrad noted. "In graphite, every layer is rotated 60 degrees and that's the only way that nature can do it. When we grow graphene on silicon carbide, the layers are rotated 30 degrees. When that happens, the symmetry of the system changes to make the material behave the way we want it to."

Epitaxial Versus Exfoliated

Much of the world's graphene research -- including work leading to the Nobel -- involved the study of exfoliated graphene:layers of the material removed from a block of graphite, originally with tape. While that technique produces high-quality graphene, it's not clear how that could be scaled up for industrial production.

While agreeing that the exfoliated material has produced useful information about graphene properties, de Heer dismisses it as "a science project" unlikely to have industrial electronics application.

"Electronics companies are not interested in graphene flakes, " he said. "They need industrial graphene, a material that can be scaled up for high-volume manufacturing. Industry is now getting more and more interested in what we are doing."

De Heer says Georgia Tech's place in the new graphene world is to focus on electronic applications.

"We are not really trying to compete with these other groups, " he said. "We are really trying to create a practical electronic material. To do that, we will have to do many things right, including fabricating a scalable material that can be made as large as a wafer. It will have to be uniform and able to be processed using industrial methods."

Resolving Technical Issues

Among the significant technical issues facing graphene devices has been electron scattering that occurs at the boundaries of nanoribbons. If the edges aren't perfectly smooth -- as usually happens when the material is cut with electron beams -- the roughness bounces electrons around, creating resistance and interference.

To address that problem, de Heer and his team recently developed a new "templated growth" technique for fabricating nanometer-scale graphene devices. The technique involves etching patterns into the silicon carbide surfaces on which epitaxial graphene is grown. The patterns serve as templates directing the growth of graphene structures, allowing the formation of nanoribbons of specific widths without the use of e-beams or other destructive cutting techniques. Graphene nanoribbons produced with these templates have smooth edges that avoid electron-scattering problems.

"Using this approach, we can make very narrow ribbons of interconnected graphene without the rough edges, " said de Heer. "Anything that can be done to make small structures without having to cut them is going to be useful to the development of graphene electronics because if the edges are too rough, electrons passing through the ribbons scatter against the edges and reduce the desirable properties of graphene."

In nanometer-scale graphene ribbons, quantum confinement makes the material behave as a semiconductor suitable for creation of electronic devices. But in ribbons a micron or so wide, the material acts as a conductor. Controlling the depth of the silicon carbide template allows the researchers to create these different structures simultaneously, using the same growth process.

"The same material can be either a conductor or a semiconductor depending on its shape, " noted de Heer. "One of the major advantages of graphene electronics is to make the device leads and the semiconducting ribbons from the same material. That's important to avoid electrical resistance that builds up at junctions between different materials."

After formation of the nanoribbons, the researchers apply a dielectric material and metal gate to construct field-effect transistors. While successful fabrication of high-quality transistors demonstrates graphene's viability as an electronic material, de Heer sees them as only the first step in what could be done with the material.

"When we manage to make devices well on the nanoscale, we can then move on to make much smaller and finer structures that will go beyond conventional transistors to open up the possibility for more sophisticated devices that use electrons more like light than particles, " he said. "If we can factor quantum mechanical features into electronics, that is going to open up a lot of new possibilities."

Collaborations with Other Groups

Before engineers can use epitaxial graphene for the next generation of electronic devices, they will have to understand its unique properties. As part of that process, Georgia Tech researchers are collaborating with scientists at the National Institute of Standards and Technology (NIST). The collaboration has produced new insights into how electrons behave in graphene.

In a recent paper published in the journal Natuurfysica , the Georgia Tech-NIST team described for the first time how the orbits of electrons are distributed spatially by magnetic fields applied to layers of epitaxial graphene. They also found that these electron orbits can interact with the substrate on which the graphene is grown, het creëren van energiehiaten die van invloed zijn op hoe elektronengolven door het meerlagige materiaal bewegen.

"The regular pattern of magnetically-induced energy gaps in the graphene surface creates regions where electron transport is not allowed, " zei Phillip N. Ten eerste, a professor in the Georgia Tech School of Physics and MRSEC member. "Elektronengolven zouden rond deze regio's moeten gaan, nieuwe patronen van elektronengolfinterferentie vereisen. Understanding this interference would be important for some bi-layer graphene devices that have been proposed."

Earlier NIST collaborations led to improved understanding of graphene electron states, and the way in which low temperature and high magnetic fields can affect energy levels. The researchers also demonstrated that atomic-scale moiré patterns, an interference pattern that appears when two or more graphene layers are overlaid, can be used to measure how sheets of graphene are stacked.

In a collaboration with the U.S. Naval Research Laboratory and University of Illinois at Urbana-Champaign, a group of Georgia Tech professors developed a simple and quick one-step process for creating nanowires on graphene oxide.

"We hebben aangetoond dat door lokaal isolerend grafeenoxide te verwarmen, both the flakes and the epitaxial varieties, met een atoomkrachtmicroscooppunt, we can write nanowires with dimensions down to 12 nanometers, " zei Elisa Riedo, an associate professor in the Georgia Tech School of Physics and a MRSEC member. "And we can tune their electronic properties to be up to four orders of magnitude more conductive."

A New Industrial Revolution?

Though graphene can be grown and fabricated using processes similar to those of silicon, it is not easily compatible with silicon. That means companies adopting it will also have to build new fabrication facilities -- an expensive investment. Bijgevolg, de Heer believes industry will be cautious about moving into a new graphene world.

"Silicon technology is completely entrenched and well developed, " he admitted. "We can adopt many of the processes of silicon, but we can't easily integrate ourselves into silicon. Daarom, we really need a major paradigm shift. But for the massive electronics industry, that will not happen easily or gently."

He draws an analogy to steamships and passenger trains at the dawn of the aviation age. Op een gegeven moment, it became apparent that airliners were going to replace both ocean liners and trains in providing first-class passenger service. Though the cost of air travel was higher, passengers were willing to pay a premium for greater speed.

"We are going to see a coexistence of technologies for a while, and how the hybridization of graphene and silicon electronics is going to happen remains up in the air, " de Heer predicted. "That is going to take decades, though in the next ten years we are probably going to see real commercial devices that involve graphene."