Wetenschappers van het Georgia Institute of Technology hebben voor het eerst details verstrekt over hun "opsluiting gecontroleerde sublimatie" -techniek voor het kweken van hoogwaardige lagen epitaxiaal grafeen op siliciumcarbidewafels. De techniek is gebaseerd op het regelen van de dampdruk van gasfase-silicium in de hoge-temperatuuroven die wordt gebruikt voor het vervaardigen van het materiaal.

Het basisprincipe om dunne lagen grafeen op siliciumcarbide te laten groeien, vereist het verwarmen van het materiaal tot ongeveer 1, 500 graden Celsius onder hoog vacuüm. De hitte verdrijft het silicium, waarbij een of meer lagen grafeen achterblijven. Maar ongecontroleerde verdamping van silicium kan materiaal van slechte kwaliteit produceren dat nutteloos is voor ontwerpers van elektronische apparaten.

"Voor het kweken van hoogwaardig grafeen op siliciumcarbide, het beheersen van de verdamping van silicium op precies de juiste temperatuur is essentieel, zei Walt de Heer, een professor die de techniek pionierde in de Georgia Tech School of Physics. "Door de snelheid waarmee silicium van de wafer komt nauwkeurig te regelen, we kunnen de snelheid bepalen waarmee grafeen wordt geproduceerd. Daardoor kunnen we hele mooie lagen epitaxiaal grafeen maken."

De Heer en zijn team beginnen met het plaatsen van een siliciumcarbidewafel in een behuizing van grafiet. Een klein gaatje in de container regelt de ontsnapping van siliciumatomen terwijl de wafel van één vierkante centimeter wordt verwarmd, het handhaven van de snelheid van siliciumverdamping en condensatie in de buurt van het thermische evenwicht. De groei van epitaxiaal grafeen kan worden gedaan in een vacuüm of in de aanwezigheid van een inert gas zoals argon, en kan worden gebruikt om zowel enkele als meerdere lagen van het materiaal te produceren.

"Deze techniek lijkt volledig in lijn te zijn met wat mensen ooit zouden kunnen doen in fabricagefaciliteiten, " zei de Heer. "Wij geloven dat dit heel belangrijk is om ons in staat te stellen rationeel en reproduceerbaar grafeen op siliciumcarbide te kweken. We hebben het gevoel dat we het proces nu begrijpen, en geloven dat het kan worden opgeschaald voor de productie van elektronica."

De techniek voor het kweken van grote lagen epitaxiaal grafeen werd deze week beschreven in de Early Edition van het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences . Het onderzoek is ondersteund door de National Science Foundation via het Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), het Air Force Office of Scientific Research, en de W. M. Stichting Keck.

Het artikel beschrijft ook een techniek voor het kweken van smalle grafeenlinten, een proces dat de Heers groep 'template groei' heeft genoemd. die techniek, die nuttig kunnen zijn voor het maken van grafeen-interconnecties, werd voor het eerst beschreven in oktober 2010 in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

De sjabloongroeitechniek omvat het etsen van patronen in siliciumcarbideoppervlakken met behulp van conventionele nanolithografieprocessen. De patronen dienen als sjablonen die de groei van grafeenstructuren op delen van de van een patroon voorziene oppervlakken sturen. De techniek vormt nanolinten van specifieke breedte zonder het gebruik van elektronenstralen of andere destructieve snijtechnieken. Grafeen nanolinten die met deze sjablonen zijn geproduceerd, hebben gladde randen die problemen met elektronenverstrooiing voorkomen.

Samen, de twee technieken bieden onderzoekers de flexibiliteit om grafeen te produceren in vormen die geschikt zijn voor verschillende behoeften, merkte de Heer op. Grafeenvellen met een groot oppervlak kunnen worden gekweekt op zowel de koolstof- als silicium-beëindigde zijden van een siliciumcarbidewafel, terwijl de smalle linten aan de kant met siliciumeinden kunnen worden gekweekt. Door verschillende verwerkingstechnieken, slechts één zijde van een bepaalde wafel kan worden gebruikt.

Het Georgia Tech onderzoeksteam - waaronder Claire Berger, Ming Ruan, Mike Sprenkel, Xuebin Li, Yike Hu, Baiqian Zhang, John Hankinson en Edward Conrad – hebben tot nu toe structuren gefabriceerd die zo smal zijn als 10 nanometer met behulp van de sjabloongroeitechniek. Deze nanodraden vertonen interessante kwantumtransporteigenschappen.

"We kunnen zeer goede kwantumdraden maken met behulp van de sjabloongroeitechniek, " zei de Heer. "We kunnen grote structuren en apparaten maken die het Quantum Hall-effect demonstreren, wat voor veel toepassingen van belang is. We hebben aangetoond dat groei via sjablonen tot op nanoschaal kan gaan, en dat de eigenschappen daar nog beter worden."

De ontwikkeling van de sublimatietechniek kwam voort uit pogingen om het groeiende grafeen te beschermen tegen zuurstof en andere verontreinigingen in de oven. Om de kwaliteitsproblemen aan te pakken, het onderzoeksteam probeerde de wafer in een grafietcontainer te plaatsen waaruit wat siliciumgas kon lekken.

"We realiseerden ons al snel dat grafeen dat in de container werd gekweekt veel beter was dan wat we hadden geproduceerd, " herinnerde de Heer zich. "Oorspronkelijk, we dachten dat het was omdat we het beschermden tegen verontreinigingen. Later, we realiseerden ons dat dit kwam omdat we de verdamping van silicium onder controle hielden."

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.

Hoewel onderzoekers nog steeds moeite hebben om epitaxiale grafeenapparaten op nanometerschaal te ontwerpen die profiteren van de unieke eigenschappen van het materiaal, de Heer heeft er alle vertrouwen in dat dit uiteindelijk gaat gebeuren.

"Deze technieken stellen ons in staat om nauwkeurige nanostructuren te maken en lijken veelbelovend voor het maken van de nanoschaalapparaten die we nodig hebben, " zei hij. "Hoewel er serieuze uitdagingen in het verschiet liggen voor het gebruik van grafeen in elektronica, we hebben al eerder wegversperringen overwonnen."