(Phys.org) — Geïntegreerde circuits, die in alles zitten, van koffiezetapparaten tot computers en een patroon hebben van perfect kristallijn silicium, zijn vrij dun, maar Cornell-onderzoekers denken dat ze de grenzen van dunne films tot op het niveau van één atoom kunnen verleggen.

Hun favoriete materialen zijn grafeen, enkele atoomdikke vellen herhalende koolstofatomen, en hexagonaal boornitride, even dunne platen van herhalende boor- en stikstofatomen. Onderzoekers onder leiding van Jiwoong Park, universitair docent scheikunde en chemische biologie, hebben een manier uitgevonden om films met één atoom van grafeen en boornitride te modelleren, een isolator, zonder het gebruik van een siliconensubstraat. Het werk wordt gedetailleerd beschreven in een artikel in het tijdschrift Nature, online gepubliceerd op 30 augustus.

De techniek, die ze patroonhergroei noemen, kan leiden tot substraatvrije, atomair dunne circuits - zo dun, ze konden drijven op water of door de lucht, maar met treksterkte en eersteklas elektrische prestaties.

"We weten hoe we grafeen moeten laten groeien in films van één atoom dik, en we weten hoe we boornitride moeten kweken, ' zei Park. 'Maar kunnen we ze zijdelings samenbrengen? En als je ze samenbrengt, wat gebeurt er op hun kruispunten?"

Zoals het blijkt, gemodelleerde hergroei van onderzoekers, die gebruikmaakt van dezelfde basisfotolithografietechnologie die wordt gebruikt bij de verwerking van siliciumwafels, laat grafeen en boornitride groeien in perfect vlakke, structureel gladde films - geen vouwen of stoten, als een goed gebreide sjaal - die, indien gecombineerd met de finale, nog te realiseren stap van het introduceren van een halfgeleidermateriaal, zou kunnen leiden tot de eerste atomair dunne geïntegreerde schakeling.

Simpel is echt mooi, vooral in het geval van dunne films, omdat fotolithografie een gevestigde techniek is die de basis vormt voor het maken van geïntegreerde schakelingen door materialen te leggen, één laag per keer, op vlak silicium.

Hergroei met patroon lijkt een beetje op sjabloneren, zei Park. Hij en zijn collega's kweekten eerst grafeen op koper en gebruikten fotolithografie om grafeen op geselecteerde gebieden bloot te leggen, afhankelijk van het gewenste patroon. Ze vulden dat blootgestelde koperen oppervlak met boornitride, de isolator, die op koper groeit en "de gaten heel mooi opvult."

"Uiteindelijk, het vormt een heel mooie doek die je er gewoon aftrekt, ' zei Park.

Het onderzoeksteam, waaronder David A. Muller, hoogleraar toegepaste en technische fysica, is bezig om te bepalen welk materiaal het beste zou werken met dunne grafeen-boornitride-films om de laatste halfgeleidende laag te vormen die de films in echte apparaten zou kunnen veranderen.

Het team werd geholpen door al bedreven te zijn in het maken van grafeen - nog relatief nieuw in de materialenwereld - evenals door Muller's expertise in elektronenmicroscopiekarakterisering op nanoschaal. Muller hielp het team te bevestigen dat de laterale kruispunten van de twee materialen, inderdaad, vlot en goed aangesloten.

De eerste co-auteurs van het artikel waren scheikundestudent Mark Levendorf en postdoctoraal medewerker Cheol-Joo Kim, die de grafeen- en boornitride-monsters fabriceerde en ook de hergroei met patroon uitvoerde in de Cornell NanoScale Science and Technology Facility.

Het werk werd voornamelijk ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research, en de National Science Foundation via het Cornell Center for Materials Research.