Door grafeenstructuren te fabriceren bovenop "stappen" op nanometerschaal geëtst in siliciumcarbide, onderzoekers hebben voor het eerst een substantiële elektronische bandgap gecreëerd in het materiaal dat geschikt is voor elektronica op kamertemperatuur. Het gebruik van topografie op nanoschaal om de eigenschappen van grafeen te controleren, zou de fabricage van transistors en andere apparaten kunnen vergemakkelijken, mogelijk de deur openen voor de ontwikkeling van volledig koolstofgeïntegreerde schakelingen.

Onderzoekers hebben een bandgap van ongeveer 0,5 elektron-volt gemeten in gebogen secties van 1,4 nanometer van grafeen-nanoribbons. De ontwikkeling zou een nieuwe richting kunnen geven aan het veld van grafeenelektronica, die worstelde met de uitdaging om bandgap te creëren die nodig is voor de werking van elektronische apparaten.

"Dit is een nieuwe manier van denken over het maken van snelle grafeenelektronica, " zei Edward Conrad, een professor aan de School of Physics van het Georgia Institute of Technology. "We kunnen nu serieus kijken naar het maken van snelle transistors van grafeen. En omdat ons proces schaalbaar is, als we één transistor kunnen maken, we kunnen er mogelijk miljoenen van maken."

De bevindingen zouden op 18 november in het tijdschrift worden gerapporteerd Natuurfysica . Het onderzoek, gedaan aan het Georgia Institute of Technology in Atlanta en aan SOLEIL, de Franse nationale synchrotronfaciliteit, is ondersteund door het Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) van de National Science Foundation bij Georgia Tech, de WM Keck Foundation en het Partner Universiteitsfonds van de Ambassade van Frankrijk.

Onderzoekers begrijpen nog niet waarom grafeen-nanoribbons halfgeleidend worden als ze buigen om kleine stapjes in te gaan - ongeveer 20 nanometer diep - die in de siliciumcarbidewafels worden gesneden. Maar de onderzoekers geloven dat de spanning wordt veroorzaakt als het koolstofrooster buigt, samen met de opsluiting van elektronen, kunnen factoren zijn die de bandgap creëren. De nanoribbons zijn opgebouwd uit twee lagen grafeen.

De productie van de halfgeleidende grafeenstructuren begint met het gebruik van e-beams om sleuven in siliciumcarbidewafels te snijden, die normaal worden gepolijst om een ​​vlak oppervlak te creëren voor de groei van epitaxiaal grafeen. Met behulp van een hoge temperatuur oven, tienduizenden grafeenlinten worden vervolgens over de treden gekweekt, met behulp van fotolithografie.

Tijdens de groei, de scherpe randen van "greppels" die in het siliciumcarbide zijn gesneden, worden gladder naarmate het materiaal zijn vlakke oppervlak probeert terug te krijgen. De groeitijd moet daarom zorgvuldig worden gecontroleerd om te voorkomen dat de smalle siliciumcarbide-kenmerken te veel smelten.

De grafeenfabricage moet ook langs een specifieke richting worden gecontroleerd, zodat het koolstofatoomrooster in de treden langs de "fauteuil" -richting van het materiaal groeit. "Het is alsof je een stuk gaashekwerk probeert te buigen, ' legde Conrad uit. 'Hij wil maar in één richting buigen.'

De nieuwe techniek maakt het niet alleen mogelijk om een ​​bandgap in het materiaal te creëren, maar mogelijk ook de fabricage van volledige geïntegreerde schakelingen van grafeen zonder de noodzaak van interfaces die weerstand introduceren. Aan weerszijden van het halfgeleidende deel van het grafeen, de nanoribbons behouden hun metallische eigenschappen.

"We kunnen duizenden van deze loopgraven maken, en we kunnen ze maken waar we maar willen op de wafer, "zei Conrad. "Dit is meer dan alleen halfgeleidend grafeen. Het materiaal in de bochten is halfgeleidend, en het is aan beide kanten continu aan grafeen gehecht. Het is eigenlijk een Shottky-versperringsknooppunt."

Door het grafeen langs de ene rand van de greppel te laten groeien en vervolgens langs de andere kant, de onderzoekers zouden in theorie twee met elkaar verbonden Shottky-barrières kunnen produceren - een fundamenteel onderdeel van halfgeleiderapparaten. Conrad en zijn collega's werken nu aan het fabriceren van transistors op basis van hun ontdekking.

Bevestiging van de bandgap kwam van hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopiemetingen die zijn uitgevoerd bij het Synchrotron CNRS in Frankrijk. Daar, de onderzoekers schoten krachtige fotonenstralen in arrays van de grafeen-nanoribbons en maten de uitgezonden elektronen.

"Je kunt de energie meten van de elektronen die eruit komen, en je kunt meten uit welke richting ze komen, "zei Conrad. "Van die informatie, je kunt achteruit werken om informatie te krijgen over de elektronische structuur van de nanoribbons."

Theoretici hadden voorspeld dat het buigen van grafeen een bandgap in het materiaal zou creëren. Maar de door het onderzoeksteam gemeten bandgap was groter dan was voorspeld.

Naast het bouwen van transistors en andere apparaten, in toekomstig werk zullen de onderzoekers proberen meer te weten te komen over wat de bandgap veroorzaakt - en hoe deze te beheersen. De eigenschap kan worden gecontroleerd door de hoek van de bocht in het grafeen nanoribbon, die kan worden geregeld door de diepte van de stap te wijzigen.

"Als je een tapijt probeert te leggen over een kleine oneffenheid in de vloer, het tapijt zal eroverheen gaan en je weet misschien niet eens dat de imperfectie er is, " legde Conrad uit. "Maar als je over een trede gaat, je kunt het vertellen. Er zijn waarschijnlijk verschillende hoogtes waarin we de bocht kunnen beïnvloeden."

Hij voorspelt dat de ontdekking nieuwe activiteit zal creëren terwijl andere grafeenonderzoekers proberen de resultaten te gebruiken.

"Als je een snel apparaat kunt demonstreren, veel mensen zullen hierin geïnteresseerd zijn, "Zei Conrad. "Als dit op grote schaal werkt, het zou een nichemarkt kunnen lanceren voor hogesnelheids-, krachtige elektronische apparaten."