Golven maken als het materiaal dat een revolutie teweeg zal brengen in de elektronica, grafeen - samengesteld uit een enkele laag koolstofatomen - was niettemin een uitdaging om te produceren op een manier die praktisch is voor innovatieve elektronische toepassingen. Onderzoekers van UC Santa Barbara hebben een methode ontdekt om grafeen van hoge kwaliteit op een gecontroleerde manier te synthetiseren, wat de weg kan effenen voor elektronische toepassingen van de volgende generatie.

Kaustav Banerjee, een professor bij de afdeling Electrical and Computer Engineering en directeur van het Nanoelectronics Research Lab aan de UCSB die al meer dan zeven jaar koolstofnanomaterialen bestudeert, leidde het onderzoeksteam tot het perfectioneren van methoden voor het kweken van vellen grafeen, zoals beschreven in een studie die zal worden gepubliceerd in het novembernummer van het tijdschrift Koolstof .

"Ons proces heeft bepaalde unieke voordelen die leiden tot grafeen van hoge kwaliteit, ", zegt Banerjee. "Voor de elektronica-industrie om grafeen effectief te gebruiken, het moet eerst selectief en in grotere vellen worden gekweekt. We hebben een synthesetechniek ontwikkeld die grafeen van hoge kwaliteit en hoge uniformiteit oplevert dat kan worden vertaald naar een schaalbaar proces voor industriële toepassingen."

Met plakband om vlokken grafeen van grafiet te tillen, De onderzoekers van de Universiteit van Manchester, Geim en Novoselov, ontvingen in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun baanbrekende isolatie en karakterisering van het materiaal. Om grafeen in futuristische toepassingen te lanceren, echter, onderzoekers hebben gezocht naar een gecontroleerde en efficiënte manier om een ​​hogere kwaliteit van dit enkel-atoom-dikke materiaal in grotere gebieden te kweken.

De ontdekking door UCSB-onderzoekers verandert de productie van grafeen in een industrievriendelijk proces door de kwaliteit en uniformiteit van grafeen te verbeteren met behulp van efficiënte en reproduceerbare methoden. Ze waren in staat om het aantal geproduceerde grafeenlagen te beheersen - van monolaag tot dubbellaags grafeen - een belangrijk onderscheid voor toekomstige toepassingen in elektronica en andere technologie.

"Intel heeft een grote interesse in grafeen vanwege de vele mogelijkheden die het biedt voor de volgende generatie energiezuinige computers, maar er zijn veel wegversperringen langs de weg, "voegde Intel Fellow toe, Shechar Borkar. "De schaalbare synthesetechniek die is ontwikkeld door de groep van professor Banerjee aan de UCSB is een belangrijke stap voorwaarts."

Als materiaal, grafeen is het dunste en sterkste ter wereld – meer dan 100 keer sterker dan diamant – en kan bij kamertemperatuur als ultieme geleider fungeren. Als het effectief kan worden geproduceerd, de eigenschappen van grafeen maken het ideaal voor vooruitgang in groene elektronica, supersterke materialen, en medische technologie. Grafeen kan worden gebruikt om flexibele schermen en elektronische apparaten te maken, computers met 1, 000 GHz-processors die vrijwel zonder energie werken, en ultra-efficiënte zonne-energiecellen.

De sleutel tot de ontdekking van het UCSB-team is hun begrip van de groeikinetiek van grafeen onder invloed van het substraat. Hun aanpak maakt gebruik van een methode die lagedrukchemische dampafzetting (LPCVD) wordt genoemd en omvat het desintegreren van het koolwaterstofgasmethaan bij een specifieke hoge temperatuur om uniforme koolstoflagen (als grafeen) op een voorbehandeld kopersubstraat te bouwen. De onderzoeksgroep van Banerjee heeft een reeks technieken ontwikkeld die de uniformiteit en kwaliteit van grafeen optimaliseerden, terwijl ze het aantal grafeenlagen controleerden dat ze op hun substraat groeiden.

Volgens Dr. Wei Liu, een postdoctoraal onderzoeker en co-auteur van de studie, "Grafeengroei wordt sterk beïnvloed door imperfecties op het kopersubstraat. Door een juiste behandeling van het koperoppervlak en nauwkeurige selectie van de groeiparameters, de kwaliteit en uniformiteit van grafeen zijn aanzienlijk verbeterd en het aantal grafeenlagen kan worden gecontroleerd."

Professor Banerjee en gecrediteerde auteurs Wei Liu, Hong Li, Chuan Xu en Yasin Khatami zijn niet het eerste onderzoeksteam dat grafeen maakt met de CVD-methode, maar zij zijn de eersten die met succes kritische methoden hebben verfijnd om grafeen van hoge kwaliteit te kweken. Vroeger, een belangrijke uitdaging voor de CVD-methode was dat het een lagere kwaliteit van grafeen oplevert in termen van dragermobiliteit - of hoe goed het elektronen geleidt. "Ons grafeen vertoont de hoogste gerapporteerde veldeffectmobiliteit tot nu toe voor CVD-grafeen, met een gemiddelde waarde van 4000 cm2/V.s met de hoogste piekwaarde bij 5500 cm2/V.s. Dit is een extreem hoge waarde vergeleken met de mobiliteit van silicium." voegde Hong Li toe, een doctoraat kandidaat in de onderzoeksgroep van Banerjee.

"De groep van Kaustav Banerjee leidt de onderzoeksinspanningen naar grafeen nano-elektronica bij UCSB, van materiaalsynthese tot apparaatontwerp en circuitverkenning. Zijn werk heeft onze campus voorzien van unieke en zeer krachtige mogelijkheden, " voegde David Awschalom eraan toe, hoogleraar natuurkunde, Elektrotechniek en computertechniek, en directeur van het California NanoSystems Institute (CNSI) bij UCSB, waar het laboratorium van Banerjee zich bevindt. "Deze nieuwe faciliteit heeft ook onze mogelijkheden voor samenwerkingen tussen verschillende wetenschappelijke en technische disciplines vergroot."

"Het lijdt geen twijfel dat grafeen een superieur materiaal is. Intrinsiek is het verbazingwekkend, "zegt Banerjee. "Het is aan ons, de wetenschappers en ingenieurs, om te laten zien hoe we grafeen kunnen gebruiken en de mogelijkheden ervan kunnen benutten. Er zijn uitdagingen om het te laten groeien, hoe je het wel of niet overdraagt ​​en patroont, en hoe de eigenschappen voor specifieke toepassingen kunnen worden aangepast. Maar deze uitdagingen zijn een vruchtbare voedingsbodem voor spannend onderzoek in de toekomst."