(Phys.org) — Grafeen gebruiken – ofwel als alternatief voor, of hoogstwaarschijnlijk als een aanvullend materiaal met – silicium, biedt de belofte van veel snellere toekomstige elektronica, samen met verschillende andere voordelen ten opzichte van de veelgebruikte halfgeleider. Echter, het is moeilijk gebleken om de één-atoom dikke koolstofbladen, bekend als grafeen, te maken op een manier die gemakkelijk kan worden geïntegreerd in massaproductiemethoden.

Wanneer grafeen wordt gekweekt, roosters van de koolstofkorrels worden willekeurig gevormd, onder verschillende oriëntatiehoeken met elkaar verbonden in een hexagonaal netwerk. Echter, wanneer die oriëntaties tijdens het groeiproces verkeerd worden uitgelijnd, defecten die korrelgrenzen (GB's) worden genoemd. Deze grenzen verstrooien de stroom van elektronen in grafeen, een feit dat nadelig is voor de succesvolle elektronische prestaties.

Onderzoekers Joe Lyding en Eric Pop van het Beckman Institute van de Universiteit van Illinois en hun onderzoeksgroepen hebben nu nieuw inzicht gegeven in het elektronische gedrag van grafeen met korrelgrenzen die fabricagemethoden zouden kunnen leiden om hun effect te verminderen. De onderzoekers kweekten polykristallijn grafeen door middel van chemische dampafzetting (CVD), met behulp van scanning tunneling microscopie en spectroscopie voor analyse, om korrelgrenzen op atomaire schaal op een siliciumwafel te onderzoeken. Ze rapporteerden hun resultaten in het tijdschrift ACS Nano .

"We hebben informatie verkregen over elektronenverstrooiing aan de grenzen die aantoont dat het de elektronische prestaties aanzienlijk beperkt in vergelijking met korrelgrensvrij grafeen, Lyding zei. "Graangrenzen vormen zich tijdens grafeengroei door CVD, en, terwijl er wereldwijd veel moeite wordt gedaan om het optreden van korrelgrenzen tot een minimum te beperken, ze zijn een feit van het leven voor nu.

“Voor elektronica zou je het op wafelschaal willen kunnen maken. Grensvrij grafeen is een belangrijk doel. In de tussentijd moeten we leven met de korrelgrenzen, dus ze begrijpen is wat we proberen te doen."

Lyding vergeleek grafeenroosters gemaakt met de CVD-methode met stukken van een cycloonomheining.

"Als je twee stukken hek had, en je legde ze naast elkaar op de grond, maar ze waren niet perfect uitgelijnd, dan zouden ze niet passen, "zei hij. "Dat is een korrelgrens, waar het rooster niet overeenkomt."

Het onderzoek betrof de groep van Pop, onder leiding van Beckman Fellow Josh Wood, het kweken van grafeen in het Micro and Nanotechnology Lab, en het overbrengen van de dunne films naar een siliciumwafel (Si02). Vervolgens gebruikten ze de STM van Beckman, ontwikkeld door Lyding, voor analyse, onder leiding van eerste auteur Justin Koepke van de groep van Lyding.

Hun analyse toonde aan dat wanneer de route van de elektronen hen naar een korrelgrens brengt, het is als, Lyding zei, een heuvel raken.

"De elektronen raken deze heuvel, ze stuiteren af, ze interfereren met zichzelf en je ziet eigenlijk een staand golfpatroon, ' zei hij. 'Het is een barrière, dus ze moeten die heuvel op en over. Zoals al het andere, dat gaat ze vertragen. Dat is wat Justin kon meten met deze spectroscopiemetingen.

"Een korrelgrens is in feite een weerstand in serie met een geleider. Dat is altijd slecht. Het betekent dat het langer duurt voordat een elektron van punt A naar punt B gaat met een bepaalde spanning."

Afbeeldingen van de STM onthullen korrelgrenzen die suggereren dat twee stukken stof aan elkaar zijn genaaid, Lyding zei, door 'een hele slechte kleermaker'.

In de krant, de onderzoekers konden rapporteren over hun analyse van de oriëntatiehoeken tussen stukken grafeen terwijl ze samen groeiden, en vond "geen preferentiële oriëntatiehoek tussen korrels, en de GB's zijn continu over grafeenrimpels en Si02-topografie." Ze rapporteerden dat analyse van die patronen "aangeeft dat terugverstrooiing en intervalverstrooiing de dominante mechanismen zijn die verantwoordelijk zijn voor de mobiliteitsvermindering in de aanwezigheid van GB's in door CVD gegroeid grafeen."

Lyding zei dat de relatie tussen de oriëntatiehoek van de stukken grafeen en de golflengte van een elektron de beweging van het elektron bij de korrelgrens beïnvloedt, wat leidt tot variaties in hun verstrooiing.

"Meer verstrooiing betekent dat het voor een elektron moeilijker wordt om van de ene korrel naar de andere te gaan, "zei hij. "Hoe moeilijker je dat maakt, hoe lager de kwaliteit van de elektronische prestaties van elk apparaat dat van dat grafeen is gemaakt."

Het werk van de onderzoekers is niet alleen gericht op het begrijpen, maar ook bij het controleren van korrelgrenzen. Een van hun bevindingen - dat GB's aperiodiek zijn - repliceerde ander werk en zou implicaties kunnen hebben voor de beheersing ervan, zoals ze in de krant schreven:"Het combineren van de spectroscopische en verstrooiingsresultaten suggereert dat GB's die meer periodiek en goed geordend zijn, leiden tot verminderde verstrooiing van de GB's."

"Ik denk dat als je met korrelgrenzen moet leven, je precies wilt kunnen bepalen wat hun oriëntatie is en een hoek kiest die de verstrooiing minimaliseert, ' zei Lyding.