Een nieuwe "template groei"-techniek voor het vervaardigen van nanoribbons van epitaxiaal grafeen heeft structuren van slechts 15 tot 40 nanometer breed geproduceerd die stroom geleiden met bijna geen weerstand. Deze structuren kunnen de uitdaging aangaan om grafeenapparaten met conventionele architecturen te verbinden - en de weg vrijmaken voor een nieuwe generatie apparaten die profiteren van de kwantumeigenschappen van elektronen.

"We kunnen nu heel smal maken, geleidende nanolinten met kwantumballistische eigenschappen, zei Walt de Heer, een professor aan de School of Physics van het Georgia Institute of Technology. "Deze smalle linten worden bijna als een perfect metaal. Elektronen kunnen er doorheen bewegen zonder te verstrooien, net zoals ze dat doen in koolstofnanobuisjes."

De Heer zou op 21 maart de recente resultaten van dit grafeengroeiproces bespreken tijdens de bijeenkomst van de American Physical Society in maart 2011 in Dallas. Het onderzoek werd gesponsord door het door de National Science Foundation gesteunde Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC).

Voor het eerst gerapporteerd op 3 oktober in de geavanceerde online-editie van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , de nieuwe fabricagetechniek maakt de productie van epitaxiale grafeenstructuren met gladde randen mogelijk. Eerdere fabricagetechnieken die elektronenstralen gebruikten om grafeenplaten te snijden, produceerden nanoribbonstructuren met ruwe randen die elektronen verstrooiden, interferentie veroorzaken. De resulterende nanolinten hadden eigenschappen die meer op isolatoren dan op geleiders leken.

"In onze sjablonen voor groeibenadering, we hebben in wezen de randen geëlimineerd die de gewenste eigenschappen van grafeen wegnemen, " legde de Heer uit. "De randen van het epitaxiale grafeen gaan over in het siliciumcarbide, het produceren van eigenschappen die echt heel interessant zijn."

De "template groei"-techniek begint met 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 en andere structuren van specifieke breedtes en vormen mogelijk is zonder het gebruik van snijtechnieken die de ruwe randen produceren.

Bij het maken van deze grafeen-nanostructuren, de Heer en zijn onderzoeksteam gebruiken eerst conventionele micro-elektronicatechnieken om minuscule "stapjes" - of contouren - te etsen in een siliciumcarbidewafel waarvan het oppervlak extreem vlak is gemaakt. 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.

Gevestigde technieken worden vervolgens gebruikt om grafeen uit siliciumcarbide te laten groeien door de siliciumatomen van het oppervlak te verdrijven. In plaats van een consistente laag grafeen over het hele oppervlak van de wafer te produceren, echter, de onderzoekers beperken de opwarmtijd zodat grafeen alleen op delen van de contouren groeit.

De breedte van de resulterende nanoribbons is evenredig met de diepte van de contouren, het verschaffen van een mechanisme voor het nauwkeurig regelen van de nanoribbon-structuren. Om complexe structuren te vormen, meerdere etsstappen kunnen worden uitgevoerd om complexe sjablonen te maken.

"Deze techniek stelt ons in staat om de gecompliceerde e-beam lithografiestappen te vermijden die mensen hebben gebruikt om structuren te creëren in epitaxiaal grafeen, De Heer merkte op. "We zien zeer goede eigenschappen die aantonen dat deze structuren kunnen worden gebruikt voor echte elektronische toepassingen."

Sinds de publicatie van het Nature Nanotechnology-paper, Het team van de Heer heeft de techniek verfijnd. "We hebben dit tot het uiterste doorgevoerd - de schoonste en smalste linten die we kunnen maken, " zei hij. "We verwachten alles te kunnen doen wat we nodig hebben met de linten die we nu kunnen maken, hoewel we de breedte waarschijnlijk kunnen verkleinen tot 10 nanometer of minder."

Terwijl het Georgia Tech-team doorgaat met het ontwikkelen van hoogfrequente transistors - misschien zelfs in het terahertz-bereik - is zijn primaire inspanning nu gericht op het ontwikkelen van kwantumapparaten, zei de Heer. Dergelijke apparaten werden voorzien in de patenten die Georgia Tech heeft op verschillende epitaxiale grafeenprocessen.

"Dit betekent dat de manier waarop we grafeenelektronica gaan doen anders zal zijn, " legde hij uit. "We zullen niet het model volgen van het gebruik van standaard veldeffecttransistors (FET's), maar zal apparaten nastreven die ballistische geleiders en kwantuminterferentie gebruiken. We gaan meteen aan de slag met het gebruik van de elektronengolfeffecten in grafeen."

Door gebruik te maken van de golfeigenschappen kunnen elektronen worden gemanipuleerd met technieken die vergelijkbaar zijn met die van optische ingenieurs. Bijvoorbeeld, schakelen kan worden uitgevoerd met behulp van interferentie-effecten - elektronenbundels scheiden en vervolgens opnieuw combineren in tegengestelde fasen om de signalen te doven.

Kwantumapparaten zouden kleiner zijn dan conventionele transistors en op een lager vermogen werken. Vanwege het vermogen om elektronen vrijwel zonder weerstand te transporteren, epitaxiaal grafeen kan het ideale materiaal zijn voor dergelijke apparaten, zei de Heer.

"Het gebruik van de kwantumeigenschappen van elektronen in plaats van de standaard eigenschappen van geladen deeltjes betekent nieuwe manieren om naar elektronica te kijken, ' voorspelde hij. 'Dit is waarschijnlijk de manier waarop elektronica zal evolueren, en het blijkt dat grafeen het ideale materiaal is om deze overgang te maken."

Het onderzoeksteam van De Heer hoopt binnen een jaar een rudimentaire schakelaar te demonstreren die werkt op het kwantuminterferentieprincipe.

Epitaxiaal grafeen kan de basis zijn voor een nieuwe generatie hoogwaardige apparaten die zullen profiteren van de unieke eigenschappen van het materiaal in toepassingen waar hogere kosten kunnen worden gerechtvaardigd. Silicium, hedendaagse elektronische materiaal naar keuze, zal blijven worden gebruikt in toepassingen waar hoge prestaties niet vereist zijn, zei de Heer.

"Dit is een belangrijke stap in het proces, " voegde hij eraan toe. "Er zullen veel verrassingen zijn als we naar deze kwantumapparaten gaan en ontdekken hoe ze werken. We hebben goede redenen om aan te nemen dat dit de basis kan zijn voor een nieuwe generatie transistoren op basis van kwantuminterferentie."