Nieuw onderzoek aan de Rice University laat zien hoe water het praktisch maakt om lange grafeen nanolinten van minder dan 10 nanometer breed te vormen.

En het is onwaarschijnlijk dat veel van de andere laboratoria die momenteel het potentieel van grafeen proberen te benutten, een enkel-atoomblad van koolstof, want micro-elektronica zou de techniek hebben bedacht die de Rice-onderzoekers vonden terwijl ze op zoek waren naar iets anders.

De ontdekking door hoofdauteur Vera Abramova en co-auteur Alexander Slesarev, beide afgestudeerde studenten in het lab van Rice chemicus James Tour, verschijnt deze maand online in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

Een beetje water geadsorbeerd uit de atmosfeer bleek te werken als een masker in een proces dat begint met het creëren van patronen via lithografie en eindigt met zeer lange, zeer dunne grafeen nanoribbons. De linten vormen zich overal waar water zich verzamelt bij de wig tussen het verhoogde patroon en het grafeenoppervlak.

De waterformatie wordt een meniscus genoemd; het ontstaat wanneer de oppervlaktespanning van een vloeistof ervoor zorgt dat het kromt. In het rijstproces, het meniscusmasker beschermt een klein lintje grafeen tegen wegetsen wanneer het patroon wordt verwijderd.

Tour zei dat elke methode om lange draden van slechts enkele nanometers breed te maken, de interesse zou moeten wekken van micro-elektronicafabrikanten, aangezien ze de grenzen van hun vermogen om schakelingen te miniaturiseren naderen. "Ze kunnen nooit profiteren van de kleinste apparaten op nanoschaal als ze ze niet kunnen adresseren met een draad op nanoschaal, "zei hij. "Op dit moment, fabrikanten kunnen kleine functies maken, of maak grote functies en plaats ze waar ze ze willen hebben. Maar om beide te hebben was moeilijk. Om een ​​lijn zo dun te kunnen tekenen waar je maar wilt, is een groot probleem, omdat je hiermee kunt profiteren van de kleine omvang van apparaten op nanoschaal."

Tour zei dat de neiging van water om aan oppervlakken te hechten vaak vervelend is, maar in dit geval is het essentieel voor het proces. "Er zijn grote machines die worden gebruikt in elektronica-onderzoek die vaak worden verwarmd tot honderden graden onder ultrahoog vacuüm om al het water dat zich aan de binnenoppervlakken hecht, te verdrijven. ' zei hij. 'Anders blijft er altijd een laagje water over. In onze experimenten, water hoopt zich op aan de rand van de structuur en beschermt het grafeen tegen de reactieve ionenetsing (RIE). Dus in ons geval dat restwater de sleutel tot succes is.

"Niemand heeft hier ooit eerder aan gedacht, en het is niets waar we aan dachten, ' zei Tour. 'Dit was toevallig.'

Abramova en Slesarev waren van plan om nanolinten te fabriceren door een methode die door een ander Rice-lab is ontwikkeld om te keren om nauwe openingen in materialen te maken. De oorspronkelijke methode maakte gebruik van het vermogen van sommige metalen om een ​​natuurlijke oxidelaag te vormen die uitzet en materiaal afschermt net aan de rand van het metalen masker. De nieuwe methode werkte, maar niet zoals verwacht.

"We vermoedden eerst dat er een soort schaduw was, " zei Abramova. Maar andere metalen die niet zo veel uitzetten, als al, toonde geen verschil, evenmin varieerde de diepte van het patroon. "Ik was eigenlijk op zoek naar iets dat iets zou veranderen."

Het duurde twee jaar om de meniscustheorie te ontwikkelen en te testen, waarin de onderzoekers ook het potentieel bevestigden om sub-10-nanometerdraden te maken van andere soorten materialen, inclusief platina. Ze bouwden ook veldeffecttransistoren om de elektronische eigenschappen van grafeen-nanoribbons te controleren.

Om er zeker van te zijn dat water inderdaad de linten uitmaakt, ze probeerden het effect ervan te elimineren door de patronen eerst te drogen door ze onder vacuüm te verwarmen, en vervolgens door het water te verdringen met aceton om de meniscus te verwijderen. In beide gevallen, er werden geen grafeen nanoribbons gemaakt.

De onderzoekers werken aan een betere controle van de breedte van de nanoribbons, en ze hopen de randen van de nanolinten te verfijnen, die helpen bij het dicteren van hun elektronische eigenschappen.

"Met dit onderzoek we kwamen erachter dat je geen dure tools nodig hebt om deze beperkte functies te krijgen, "Zei Tour. "Je kunt de standaardtools gebruiken die een fabuleuze lijn al heeft om functies te maken die kleiner zijn dan 10 nanometer."