In het laatste decennium, grafeen is intensief bestudeerd vanwege zijn unieke optische, mechanisch, elektrische en structurele eigenschappen. De koolstofplaten van één atoom dik kunnen een revolutie teweegbrengen in de manier waarop elektronische apparaten worden vervaardigd en leiden tot snellere transistors, goedkopere zonnecellen, nieuwe soorten sensoren en efficiëntere bio-elektrische sensorische apparaten. Als potentiaalcontactelektrode en verbindingsmateriaal, grafeen op waferschaal zou een essentieel onderdeel kunnen zijn in micro-elektronische circuits, maar de meeste fabricagemethoden voor grafeen zijn niet compatibel met siliciummicro-elektronica, waardoor de sprong van grafeen van potentieel wondermateriaal naar daadwerkelijke winstmaker wordt geblokkeerd.

Nu onderzoekers van de Universiteit van Korea, in Seoul, een eenvoudige en micro-elektronica-compatibele methode hebben ontwikkeld om grafeen te laten groeien en met succes waferschaal (vier inch in diameter) hebben gesynthetiseerd, hoge kwaliteit, meerlaags grafeen op siliciumsubstraten. De methode is gebaseerd op een ionenimplantatietechniek, een proces waarbij ionen onder een elektrisch veld worden versneld en tegen een halfgeleider worden geslagen. De inslaande ionen veranderen de fysieke, chemische of elektrische eigenschappen van de halfgeleider.

In een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Technische Natuurkunde Brieven , van AIP Publishing, de onderzoekers beschrijven hun werk, waarmee grafeen een stap dichter bij commerciële toepassingen in siliciummicro-elektronica komt.

"Voor het integreren van grafeen in geavanceerde siliciummicro-elektronica, groot oppervlak grafeen vrij van rimpels, scheuren en resten moeten bij lage temperaturen op siliciumwafels worden afgezet, die niet kunnen worden bereikt met conventionele grafeensynthesetechnieken, omdat ze vaak hoge temperaturen vereisen, " zei Jihyun Kim, de teamleider en een professor in de afdeling Chemische en Biologische Engineering aan de Korea University. "Ons werk laat zien dat de koolstofionenimplantatietechniek een groot potentieel heeft voor de directe synthese van grafeen op waferschaal voor geïntegreerde schakelingstechnologieën."

Iets meer dan tien jaar geleden ontdekt, grafeen wordt nu beschouwd als het dunste, lichtste en sterkste materiaal ter wereld. Grafeen is volledig flexibel en transparant, terwijl het goedkoop en niet-toxisch is, en het kan zowel elektriciteit als koper geleiden, elektronen dragen met bijna geen weerstand, zelfs bij kamertemperatuur, een eigenschap die bekend staat als ballistisch transport. De unieke optische, mechanische en elektrische eigenschappen hebben ertoe geleid dat de één atoom dikke vorm van koolstof wordt aangekondigd als het materiaal van de volgende generatie voor snellere, kleiner, goedkopere en minder energieverslindende elektronica.

"In siliciummicro-elektronica, grafeen is een potentiële contactelektrode en een verbindingsmateriaal dat halfgeleiderapparaten met elkaar verbindt om de gewenste elektrische circuits te vormen, ", aldus Kim. "Dit maakt een hoge verwerkingstemperatuur ongewenst, als door temperatuur veroorzaakte schade, stammen, metalen spikes en onbedoelde diffusie van doteermiddelen kunnen optreden."

Dus, hoewel de conventionele grafeenfabricagemethode van chemische dampafzetting veel wordt gebruikt voor de synthese van grafeen op grote oppervlakken op koper- en nikkelfilms, de methode is niet geschikt voor siliciummicro-elektronica, aangezien chemische dampafzetting een hoge groeitemperatuur boven de 1 zou vereisen 000 graden Celsius en een daaropvolgend overdrachtsproces van het grafeen van de metaalfilm naar het silicium.

"Het overgebrachte grafeen op het doelsubstraat bevat vaak scheuren, rimpels en verontreinigingen, "zei Kim. "Dus, we zijn gemotiveerd om een ​​transfervrije methode te ontwikkelen om direct hoogwaardige, meerlagig grafeen in siliciummicro-elektronica."

Kim's methode is gebaseerd op ionenimplantatie, een micro-elektronica-compatibele techniek die normaal wordt gebruikt om onzuiverheden in halfgeleiders te introduceren. In het proces, koolstofionen werden versneld onder een elektrisch veld en gebombardeerd op een gelaagd oppervlak van nikkel, siliciumdioxide en silicium bij een temperatuur van 500 graden Celsius. De nikkellaag, met hoge koolstofoplosbaarheid, wordt gebruikt als katalysator voor grafeensynthese. Het proces wordt vervolgens gevolgd door activeringsgloeien bij hoge temperatuur (ongeveer 600 tot 900 graden Celsius) om een ​​honingraatrooster van koolstofatomen te vormen, een typische microscopische structuur van grafeen.

Kim legde uit dat de activeringsgloeitemperatuur kan worden verlaagd door de ionenimplantatie bij een verhoogde temperatuur uit te voeren. Kim en zijn collega's bestudeerden vervolgens systematisch de effecten van de gloeicondities op de synthese van hoogwaardige, meerlaags grafeen door de omgevingsdruk te variëren, omgevingsgas, temperatuur en tijd tijdens de behandeling.

Volgens Kim, de ionenimplantatietechniek biedt ook een fijnere controle over de uiteindelijke structuur van het product dan andere fabricagemethoden, omdat de dikte van de grafeenlaag nauwkeurig kan worden bepaald door de dosis koolstofionenimplantatie te regelen.

"Onze synthesemethode is controleerbaar en schaalbaar, waardoor we grafeen kunnen verkrijgen zo groot als de siliciumwafel [meer dan 300 millimeter in diameter], ' zei Kim.

De volgende stap van de onderzoekers is om de temperatuur in het syntheseproces verder te verlagen en de dikte van het grafeen voor productieproductie te regelen.