Een team van onderzoekers van de National University of Singapore (NUS), onder leiding van professor Loh Kian Ping, hoofd van de afdeling Scheikunde van de NUS-faculteit Bètawetenschappen, heeft met succes een innovatieve eenstapsmethode ontwikkeld om hoogwaardig grafeen op silicium en andere stijve substraten te kweken en over te brengen, mogelijkheden scheppen voor het gebruik van grafeen in hoogwaardige toepassingen die momenteel technologisch niet haalbaar zijn.

Deze doorbraak, geïnspireerd door hoe kevers en boomkikkers hun poten aan ondergedompelde bladeren houden, is de eerste gepubliceerde techniek die zowel de groei- als de overdrachtsstappen van grafeen op een siliciumwafel tot stand brengt. Deze techniek maakt de technologische toepassing van grafeen in fotonica en elektronica mogelijk, voor apparaten zoals opto-elektronische modulatoren, transistoren, on-chip biosensoren en tunnelbarrières.

De innovatie werd voor het eerst online gepubliceerd in een prestigieus wetenschappelijk tijdschrift Natuur op 11 december 2013.

Vraag naar grafeen in op silicium gebaseerde industrieën

Grafeen heeft de afgelopen jaren veel aandacht getrokken vanwege zijn uitstekende elektronische, optische en mechanische eigenschappen, evenals het gebruik ervan als transparante geleidende films voor aanraakschermpanelen van elektroden. Echter, de productie van hoogwaardige grafeenfilms op waferschaal wordt geplaagd door vele uitdagingen, waaronder de afwezigheid van een techniek om grafeen te laten groeien en over te dragen met minimale defecten voor gebruik in halfgeleiderindustrieën.

zei prof Loh, die ook hoofdonderzoeker is bij het Graphene Research Centre van de NUS Faculty of Science, "Hoewel er veel potentiële toepassingen zijn voor flexibel grafeen, er moet aan worden herinnerd dat tot op heden de meeste halfgeleiders werken op "stijve" substraten zoals silicium en kwarts."

"De directe groei van grafeenfilm op siliciumwafel is nuttig voor het mogelijk maken van meerdere opto-elektronische toepassingen, maar de huidige onderzoeksinspanningen blijven gebaseerd op de proof-of-concept-fase. Een transfermethode ten dienste van dit marktsegment is zeker nodig, en is verwaarloosd in de hype voor flexibele apparaten, " voegde prof. Loh eraan toe.

Geïnspireerd door kevers en boomkikkers

Om de huidige technologische kloof aan te pakken, het NUS-team onder leiding van prof. Loh putte hun aanwijzingen uit hoe kevers en boomkikkers hun voeten vasthielden aan volledig ondergedompelde bladeren, en ontwikkelde een nieuw proces genaamd "face-to-face overdracht".

Dokter Gao Libo, de eerste auteur van het artikel en een onderzoeker bij het Graphene Research Center van de NUS Faculty of Science, groeide grafeen op een koperen katalysatorlaag die een siliciumsubstraat bedekte. Na groei, het koper wordt weggeëtst terwijl het grafeen op zijn plaats wordt gehouden door bellen die capillaire bruggen vormen, vergelijkbaar met die rond de voeten van kevers en boomkikkers die aan ondergedompelde bladeren zijn bevestigd. De capillaire bruggen helpen het grafeen op het siliciumoppervlak te houden en voorkomen delaminatie tijdens het etsen van de koperkatalysator. Het grafeen hecht zich dan aan de siliciumlaag.

Om de vorming van capillaire bruggen te vergemakkelijken, een voorbehandelingsstap waarbij gassen in de wafel worden geïnjecteerd, werd toegepast door Dr. Gao. Dit helpt om de eigenschappen van het grensvlak te wijzigen en vergemakkelijkt de vorming van capillaire bruggen tijdens de infiltratie van een katalysatorverwijderingsvloeistof. De co-toevoeging van oppervlakteactieve stof helpt bij het gladstrijken van eventuele vouwen en vouwen die tijdens het overdrachtsproces kunnen ontstaan.

Industriële toepassingen en nieuwe inzichten

Deze nieuwe techniek om grafeen rechtstreeks op siliciumwafels en andere stijve substraten te laten groeien, zal zeer nuttig zijn voor de ontwikkeling van snel opkomende grafeen-op-siliciumplatforms, die een veelbelovende reeks toepassingen hebben laten zien. De door het NUS-team ontwikkelde "face-to-face transfer"-methode is ook geschikt voor in batch verwerkte halfgeleiderproductielijnen, zoals de fabricage van grootschalige geïntegreerde schakelingen op siliciumwafels.

Om hun onderzoek voort te zetten, Prof Loh en zijn team zullen het proces optimaliseren om een ​​hoge doorvoerproductie van grafeen met een grote diameter op silicium te bereiken, evenals doelspecifieke grafeen-enabled toepassingen op silicium. Het team past de technieken ook toe op andere tweedimensionale films. Er zijn nu gesprekken gaande met potentiële partners uit de industrie.