(Phys.org) -- Grafeen is het wondermateriaal dat het probleem zou kunnen oplossen van het maken van steeds snellere computers en kleinere mobiele apparaten wanneer de huidige siliciummicrochiptechnologie een onvermijdelijke muur raakt. grafeen, een enkele laag koolstofatomen in een strakke zeshoekige opstelling, is zeer onderzocht vanwege zijn ongelooflijke elektronische eigenschappen, met theoretische snelheden die 100 keer groter zijn dan die van silicium. Maar het is moeilijk gebleken om het materiaal in een microchip te plaatsen die beter zou kunnen presteren dan de huidige siliciumtechnologie.

Het antwoord kan liggen in nieuwe nanoschaalsystemen op basis van ultradunne lagen van materialen met exotische eigenschappen. Genoemd tweedimensionale gelaagde materialen, deze systemen kunnen belangrijk zijn voor micro-elektronica, verschillende soorten overgevoelige sensoren, katalyse, tissue engineering en energieopslag. Onderzoekers van Penn State hebben zo'n 2D gelaagd materiaal toegepast, een combinatie van grafeen en hexagonaal boornitride, om verbeterde transistorprestaties te produceren op een industrieel relevante schaal.

"Andere groepen hebben aangetoond dat grafeen op boornitride de prestaties twee tot drie keer kan verbeteren, maar niet op een manier die kan worden opgeschaald. Voor de eerste keer, we hebben dit materiaal kunnen nemen en toepassen om transistors te maken op waferschaal, " zei Joshua Robinson, assistent-professor materiaalkunde en engineering aan Penn State en de corresponderende auteur op een paper die hun werk rapporteert in de online versie van het tijdschrift ACS Nano .

In het artikel, het Penn State-team beschrijft een methode voor het integreren van een dunne laag grafeen van slechts één of twee atomen dik, met een tweede laag hexagonaal boornitride (hBN) met een dikte van enkele atomen tot enkele honderden atomen. Het resulterende dubbellaagse materiaal vormt de volgende stap in het creëren van functionele grafeen-veldeffecttransistoren voor hoogfrequente elektronische en opto-elektronische apparaten.

Eerder onderzoek door andere groepen heeft aangetoond dat een gemeenschappelijk materiaal genaamd hexagonaal boornitride (hBN), een synthetisch mengsel van boor en stikstof dat als industrieel smeermiddel wordt gebruikt en in veel cosmetica wordt aangetroffen, is een potentiële vervanging voor siliciumdioxide en andere hoogwaardige diëlektrica die niet goed zijn geïntegreerd met grafeen. Omdat borium naast koolstof zit in het periodiek systeem, en hexagonaal boornitride heeft een vergelijkbare rangschikking van atomen als grafeen, de twee materialen komen elektronisch goed overeen. In feite, hBN wordt vaak wit grafeen genoemd. Om van meer dan academische interesse in het lab te zijn, echter, de hBN-grafeen dubbellaag moest op wafelschaal worden gekweekt - van ongeveer 3 inch (75 mm) tot bijna 12 inch (300 mm).

Het Penn State-team loste dit probleem op door een eerdere techniek te gebruiken die in hun laboratorium was ontwikkeld om een ​​uniform, groot gebied, en hoogwaardige laag epitaxiaal grafeen geschikt voor hoogfrequente toepassingen. Dit "quasi-vrijstaande epitaxiale grafeen" werd geproduceerd door waterstofatomen aan het grafeen te hechten om "bungelende bindingen te passiveren, ” in wezen de grafeenfilm afvlakken en gladmaken. Het hexagonale boornitride werd vervolgens gekweekt op een overgangsmetaalsubstraat met behulp van een chemische dampafzettingstechniek die standaard is bij de productie. Het hBN werd via een van de verschillende overdrachtsprocessen van het substraat vrijgemaakt en bovenop het grafeen op een 75 mm-wafel aangebracht, markeert de eerste integratie van epitaxiaal grafeen met hBN op een schaal die compatibel is met de behoeften van de industrie.

Voortbouwend op hun eerdere werk met epitaxiaal grafeen, die de prestaties van de transistor al twee tot drie keer had verbeterd, dit onderzoek voegt een verdere twee tot drie keer betere prestatie toe en toont het sterke potentieel voor het gebruik van grafeen in elektronica, volgens Robinson. In de nabije toekomst, het Penn State-team hoopt op grafeen gebaseerde geïntegreerde schakelingen en hoogwaardige apparaten te demonstreren die geschikt zijn voor productie op industriële schaal op 100 mm-wafels.

“We gebruiken alle standaard lithografie, wat belangrijk is voor nanofabricage, ’ voegde Robinson eraan toe. Om een ​​deuk te maken in de zeer competitieve microchipindustrie, een nieuw materiaalsysteem moet compatibel zijn met de huidige verwerkingstechnologie en een aanzienlijke prestatieverbetering bieden.

Boornitride-grafeen is een van de vele opkomende tweedimensionale gelaagde systemen waarvan de eigenschappen op nanoschaal nog maar pas ontdekt worden. dimensionaliteit, volgens Nobelprijswinnaars Novoselov en Geim, is een van de meest bepalende materiaalparameters en kan aanleiding geven tot dramatisch verschillende eigenschappen naargelang de materiaalstructuur 0-D is, 1-D, 2D of 3D. Penn State is een van de pioniers die zich begeven naar wat een nieuwe grens van materiaalwetenschap zou kunnen blijken te zijn.

Naast Robinson, de co-auteurs van het ACS Nano-artikel zijn Michael Bresnehan, Matthijs Hollander, Maxwell Wetherington, Michael Labella, Kathleen Trumbull, Randal Cavalero, en David Snyder, heel Penn State. Het werk werd ondersteund door de Naval Surface Warfare Center Crane, en instrumentatieondersteuning werd geleverd door het National Nanotechnology Infrastructure Network in Penn State.