(PhysOrg.com) -- Nanotechnologie-onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben de eerste directe vergelijking gemaakt van twee fundamentele technieken die kunnen worden gebruikt voor het chemisch doteren van vellen tweedimensionaal grafeen voor de fabricage van apparaten en verbindingen.

Chemische dotering wordt routinematig gebruikt in conventionele driedimensionale halfgeleiders om de dichtheid van elektronendragers te regelen die essentieel zijn voor de werking van apparaten zoals transistors. Maar grafeen, een halfmetaal verkrijgbaar in platen van slechts één atoom dik, heeft eigenschappen die heel anders zijn dan traditionele materialen zoals silicium, hoewel onderzoekers zeggen dat doping nog steeds nodig zal zijn voor het produceren van elektronische apparaten.

Het slechte nieuws is dat elektronische ontwerpers die met grafeen werken niet in staat zullen zijn om simpelweg toe te passen wat ze hebben gedaan met driedimensionale halfgeleiders - wat zich zou vertalen in een sterk verslechterde materiaalkwaliteit voor grafeen. Het goede nieuws, volgens de studie, is dat grafeendoping kan worden gecombineerd met andere processen - en alleen hoeft te worden toegepast op de randen van nanoschaalstructuren die worden gefabriceerd.

"We leren hoe we deze tweedimensionale platen van koolstofatomen kunnen manipuleren om enkele zeer ongebruikelijke resultaten te krijgen die met geen enkel ander materiaal beschikbaar zijn, zei James Meindl, directeur van het Nanotechnology Research Center van Georgia Tech, waar het onderzoek is uitgevoerd. "Doping van grafeen om de eigenschappen ervan te beïnvloeden, is belangrijk om het effectief te kunnen gebruiken."

Details van het onderzoek werden online gepubliceerd in het tijdschrift Koolstof op 29 oktober. Het onderzoek werd ondersteund door de Semiconductor Research Corporation (SRC), het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) via het Interconnect Focus Center, en de National Science Foundation (NSF).

Omdat grafeenplaten per gebied zo weinig atomen bevatten, de vervanging van elementen zoals zuurstof of stikstof voor koolstofatomen in het rooster - zoals bij conventionele doping - doet afbreuk aan de hoge elektronenmobiliteit en andere eigenschappen die het materiaal interessant maken. Dus de onderzoekers heroverwegen het dopingproces om te profiteren van de unieke eigenschappen van grafeen.

"Als we werken met een driedimensionale halfgeleider, we verankeren de doteringssoort in het bulkmateriaal en fabriceren het vervolgens in een apparaat, zei Kevin Brenner, een afgestudeerde onderzoeksassistent aan de Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering. “Met grafeen, we zullen het materiaal verdoven terwijl we het verwerken en het in apparaten of interconnects fabriceren. Doping kan worden gedaan als onderdeel van andere fabricagestappen zoals plasma-etsen, en daarvoor moeten we het hele proces opnieuw uitvinden.”

Met behulp van vellen geëxfolieerd grafeen, Brenner en medewerkers Raghu Murali en Yinxiao Yang evalueerden de effectiviteit van twee verschillende technieken:randpassivering door elektronenstraallithografie te koppelen aan een gemeenschappelijk resistmateriaal, en adsorptie van het bekleden van het oppervlak van het materiaal. Ze ontdekten dat de randbehandeling, die chemisch reageert met defecten die ontstaan ​​wanneer het materiaal wordt gesneden, was duizend keer efficiënter in het produceren van dragers in de grafeenplaten dan de oppervlaktebehandeling.

"We werken alleen met de randen van het materiaal, ’ legde Brenner uit. “Zo kunnen we het centrum ongerept en vrij van gebreken achterlaten. Met behulp van deze aanpak, we kunnen zeer hoge mobiliteiten en de speciale eigenschappen van grafeen behouden terwijl we zeer hoge dragerdichtheden creëren.”

Vanwege de tweedimensionale aard van het grafeen, het regelen van de randchemie kan controle geven over de bulkeigenschappen van de plaat. “Op nanoschaaldimensies, de randatomen hebben de neiging om te domineren over oppervlakteabsorptietechnieken, ' voegde hij eraan toe. “Met een grafeenapparaat van zeven nanometer bij zeven nanometer, het passiveren van slechts één rand C-atoom levert het doping-equivalent van het bedekken van het hele oppervlak.

Voor het doteren van de rand van een grafeenstructuur, het team bracht een dunne laag waterstofsilsesquioxaan (HSQ) aan, een chemische stof die normaal gesproken wordt gebruikt als een resist voor etsen, gebruikte vervolgens elektronenstraallithografie om het materiaal te verknopen, die zuurstofatomen aan de randen toevoegde om p-type doping te creëren. Het resist- en elektronenstraalsysteem gecombineerd om controle op nanometerschaal te bieden over waar de chemische veranderingen plaatsvonden.

Dopingbehandeling kan ook worden toegepast door middel van plasma-etsen, zei Brenner. Beheersing van de specifieke atomen die in het plasma worden gebruikt, of het etsproces uitvoeren in een omgeving die specifieke atomen bevat, zou die atomen in de randen kunnen drijven waar ze als doteermiddelen zouden dienen.

"Elke keer dat je een rand creëert, je hebt een locatie gemaakt waar je kunt passiveren met een doteringsmiddel, ' voegde hij eraan toe. “In plaats van het in te bedden in de oppervlakte, je kunt de rand die er al is gewoon pakken en passiveren met zuurstof, stikstof, waterstof of een ander doteringsmiddel. Het zou bijna een moeiteloos proces kunnen zijn omdat de doping kan worden gedaan als onderdeel van een andere stap. ”

Naast het fabriceren van elektronische apparaten, Wetenschappers van het Nanotechnology Research Center zijn geïnteresseerd in het gebruik van grafeen voor verbindingen, mogelijk als vervanging voor koper. Naarmate interconnectiestructuren kleiner en kleiner worden, de soortelijke weerstand van koper neemt toe. Aan de rand gedoteerde grafeenvellen vertonen een trend van toenemende doping met kleinere afmetingen, mogelijk meer geleidend naarmate hun grootte kleiner wordt dan 50 nanometer, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor interconnecties op nanoschaal.

Gewapend met basisinformatie over grafeendoping, de onderzoekers hopen nu apparaten te gaan produceren om te bestuderen hoe grafeen daadwerkelijk presteert.

"Nu we een begin hebben gemaakt met het begrijpen hoe we het materiaal moeten dopen, de volgende stap is om dit in apparaten op nanoschaal te stoppen, ' zei Brenner. “We willen zien wat voor prestaties we kunnen krijgen. Dat kan ons vertellen waar de niche van grafeen zou kunnen zijn als elektronisch materiaal.

Meindl, die met silicium heeft gewerkt sinds het ontstaan ​​van geïntegreerde schakelingen, zegt dat het te vroeg is om te voorspellen waar grafeen uiteindelijk commerciële toepassingen zal vinden. Maar hij zegt dat de eigenschappen van het materiaal te interessant zijn om niet te onderzoeken.

"De kans is groot dat er iets heel interessants en unieks zal ontstaan ​​door het gebruik van grafeen, ' zei hij. "Maar we hebben nog niet het vermogen om te voorspellen wat we met dit nieuwe materiaal zullen kunnen doen."