Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, in samenwerking met Rice University, hebben onlangs een snelle synthesetechniek gedemonstreerd voor Bernal (of AB) gestapelde dubbellaagse grafeenfilms met groot oppervlak die nieuwe wegen kunnen openen voor digitale elektronica en transparante geleidertoepassingen.

De uitvinding omvat ook de eerste demonstratie van een dubbellaagse grafeen double-gate veldeffecttransistor (FET), met een record AAN / UIT-transistorschakelverhouding en draaggolfmobiliteit die toekomstige ultra-laag vermogen en goedkope elektronica zou kunnen aandrijven.

Grafeen is het dunste bekende (~0,5 nanometer per laag) 2-dimensionale atomaire kristal. Het heeft brede belangstelling getrokken vanwege zijn veelbelovende elektrische en thermische eigenschappen en potentiële toepassingen in elektronica en fotonica. Echter, veel van die toepassingen worden aanzienlijk beperkt door de nulbandafstand van grafeen, wat resulteert in lekkende transistors die niet geschikt zijn voor digitale elektronica.

"Naast de atomair gladde oppervlakken, een aanzienlijke band gap van maximaal ~ 0,25 eV kan worden geopend in dubbellaags grafeen door een potentiaalverschil tussen de twee lagen te creëren, en daarmee de inherente symmetrie te doorbreken, als de twee lagen kunnen worden uitgelijnd langs een bepaalde (Bernal of AB) oriëntatie", legt Kaustav Banerjee uit, hoogleraar elektrische en computertechniek en directeur van het Nanoelectronics Research Lab aan de UCSB. "De dual-gated transistors zijn speciaal ontworpen om een ​​dergelijk potentiaalverschil tussen de lagen tot stand te brengen via een van de poorten, terwijl de tweede poort de dragers in het kanaal moduleerde, " voegde hij eraan toe. Banerjee's onderzoeksteam omvat ook UCSB-onderzoekers Wei Liu, Stefan Kramer, Deblina Sarkar, Hong Li en professor Pulickel Ajayan van Rice University. Hun studie is onlangs gepubliceerd in Chemie van materialen .

De grafeenfilms werden op een deterministische manier gekweekt met behulp van een geconstrueerd bifunctioneel (Cu:Ni) legeringsoppervlak bij een relatief lage temperatuur van 920 ° C. Groot gebied (> 3 inch x 3 inch) Bernal (of AB) gestapelde dubbellaagse grafeengroei werd aangetoond binnen enkele minuten en met bijna 100% oppervlaktedekking. De dubbellaagse grafeenfilms vertoonden elektronenmobiliteit tot wel 3450 cm2/(V*s), die vergelijkbaar is met die van geëxfolieerd dubbellaags grafeen, daarmee de bevestiging van zeer hoge kwaliteit. De kwaliteit van gegroeid grafeen werd verder bevestigd door demonstratie van krachtige FET's met een record AAN/UIT-verhouding die een belangrijke vereiste is in digitale elektronica met laag vermogen.

"Het bereiken van de groeimodus van katalytisch grafeen aan het oppervlak en nauwkeurige controle van de koolstofconcentratie aan het oppervlak waren sleutelfactoren voor de gunstige groeikinetiek voor AB-gestapeld dubbellaags grafeen, " legde Wei Liu uit, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Banerjee en een co-auteur van het artikel. In 2011, De groep van Banerjee demonstreerde een monolaagse grafeensynthesemethode met een groot oppervlak met behulp van een kopersubstraat als katalysator.

Dubbellaags grafeen ligt dicht bij monolaag grafeen in termen van filmdikte met een hexagonale atomaire structuur en kan worden afgeleid van de gelaagde bulkvorm (grafiet) waarin aangrenzende lagen bij elkaar worden gehouden door relatief zwakke van der Waals-krachten. "Echter, afgezien van de afstembaarheid van de band gap, dubbellaags grafeen heeft enkele belangrijke voordelen ten opzichte van monolaags grafeen. Het heeft een hogere dichtheid van toestanden en heeft veel minder last van interface-effecten, die gunstig zijn voor het verbeteren van het huidige draagvermogen, ' ging Liu verder.

"Deze demonstratie is zeer indrukwekkend en zou verstrekkende gevolgen moeten hebben voor de hele gemeenschap van 2D-materialen, " merkte professor Ali Javey op, van de Universiteit van Californië, Berkeley en een mededirecteur van het Bay Area Photovoltaic Consortium (BAPVC).