(PhysOrg.com) -- Onderzoekers hebben een methode ontwikkeld voor het maken van monokristallijne arrays van een materiaal dat grafeen wordt genoemd, een vooruitgang die de mogelijkheid opent voor een vervanging voor silicium in krachtige computers en elektronica.

Grafeen is een één atoom dikke laag koolstof die elektriciteit geleidt met weinig weerstand of warmteontwikkeling. De arrays kunnen een nieuwe klasse van high-speed transistors en geïntegreerde schakelingen mogelijk maken die minder energie verbruiken dan conventionele siliciumelektronica.

De nieuwe bevindingen vertegenwoordigen een vooruitgang in de richting van het perfectioneren van een methode voor het vervaardigen van grote hoeveelheden eenkristallen van het materiaal, vergelijkbaar met de productie van siliciumwafels.

"Grafeen is er nog niet, in termen van hoogwaardige massaproductie zoals silicium, maar dit is een zeer belangrijke stap in die richting, " zei Yong P. Chen, corresponderende auteur voor de nieuwe studie en Miller Family Assistant Professor of Nanoscience and Physics aan de Purdue University.

Andere onderzoekers hebben eenkristallen van grafeen gekweekt, maar niemand heeft laten zien hoe je geordende arrays kunt maken, of patronen die kunnen worden gebruikt om commerciële elektronische apparaten en geïntegreerde schakelingen te fabriceren.

De hexagonale eenkristallen worden geïnitieerd uit grafiet "zaden" en vervolgens gekweekt op een koperfolie in een kamer die methaangas bevat met behulp van een proces dat chemische dampafzetting wordt genoemd. De gezaaide groeimethode, cruciaal voor de nieuwe bevindingen, werd uitgevonden door Qingkai Yu, co-corresponderende auteur voor de studie en een assistent-professor aan de Ingram School of Engineering van de Texas State University.

"Met behulp van deze zaden, we kunnen een geordende reeks van duizenden of miljoenen eenkristallen grafeen laten groeien, " zei Yu, die de methode pionierde toen hij onderzoeker was aan de Universiteit van Houston. "We hopen dat de industrie deze bevindingen zal bekijken en de bestelde arrays zal beschouwen als een mogelijk middel om elektronische apparaten te fabriceren."

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die deze week online verschijnt en in het juninummer van Natuurmaterialen . Het werk werd uitgevoerd door onderzoekers van Purdue, de Universiteit van Houston, Staatsuniversiteit van Texas, Brookhaven Nationaal Laboratorium, Argonne National Laboratories en Carl Zeiss SMT Inc.

Grafeen wordt momenteel gemaakt in "polykristallijne" platen die zijn samengesteld uit willekeurig geplaatste en onregelmatig gevormde "korrels" die samengesmolten zijn. Het hebben van een geordende array betekent dat de posities van elk kristal voorspelbaar zijn, en niet willekeurig zoals ze zijn in polykristallijne film.

De arrays stellen onderzoekers in staat om elektronische apparaten nauwkeurig in elke korrel te positioneren, wat een eenkristal is met een naadloze roosterstructuur die de elektrische eigenschappen verbetert, zei Eric Stach, een onderzoeker bij Brookhaven en voormalig Purdue hoogleraar materiaalkunde.

De nieuwe onderzoeksresultaten bevestigden een theorie dat de stroom van elektronen wordt belemmerd op het punt waar de ene korrel de andere ontmoet. De arrays van monokristallijne korrels zouden dat probleem kunnen verhelpen.

De onderzoekers toonden aan dat ze de groei van de geordende arrays konden beheersen; waren de eersten die de elektronische eigenschappen van individuele korrelgrenzen aantoonden; en ze ontdekten dat de randen van een enkele hexagonale kristalkorrel evenwijdig zijn aan goed gedefinieerde richtingen in het atoomrooster van grafeen, het onthullen van de oriëntatie van elk kristal.

Het kennen van de oriëntatie is noodzakelijk om de precieze eigenschappen van de kristallen te meten, het verstrekken van informatie die nodig is om betere elektronische apparaten te maken. Om de oriëntatie van het grafeenrooster te bepalen, de onderzoekers gebruikten twee soorten geavanceerde microscopietechnieken die bekend staan ​​als transmissie-elektronenmicroscopie en scanning tunneling microscopie. De technieken leverden afbeeldingen met extreem hoge resolutie op van individuele koolstofatomen waaruit grafeen bestaat.

De elektronische eigenschappen over de korrelgrenzen werden gemeten met behulp van kleine elektroden die waren verbonden met twee aangrenzende korrels.

Bevindingen toonden een hogere elektrische weerstand aan de korrelgrenzen aan en toonden ook aan dat de grenzen elektrische geleiding belemmeren door verstrooiing van elektronen. Die bevinding werd gecorreleerd met behulp van een andere techniek, Raman-spectroscopie genaamd.

Het artikel is geschreven door Yu en Purdue afgestudeerde student Luis A. Jauregui, Houston afgestudeerde student Wei Wu, Purdue afgestudeerde student Robert Colby, Purdue postdoctoraal onderzoeker Jifa Tian, samen met 12 andere onderzoekers, waaronder Stach en Chen.