grafeen, een atoomdik materiaal met buitengewone eigenschappen, is een veelbelovende kandidaat voor de volgende generatie van dramatisch snellere, energiezuinigere elektronica. Echter, wetenschappers hebben geworsteld om het materiaal in ultrasmalle stroken te fabriceren, nanolinten genoemd, die het gebruik van grafeen in hoogwaardige halfgeleiderelektronica mogelijk zou kunnen maken.

Nutsvoorzieningen, Ingenieurs van de University of Wisconsin-Madison hebben een manier ontdekt om grafeen-nanoribbons met gewenste halfgeleidende eigenschappen rechtstreeks op een conventionele germanium-halfgeleiderwafel te laten groeien. Deze doorbraak zou fabrikanten in staat kunnen stellen om grafeen nanoribbons gemakkelijk te gebruiken in hybride geïntegreerde schakelingen, die beloven de prestaties van elektronische apparaten van de volgende generatie aanzienlijk te verbeteren. Deze technologie kan ook specifieke toepassingen hebben in industriële en militaire toepassingen, zoals sensoren die specifieke chemische en biologische soorten detecteren en fotonische apparaten die licht manipuleren.

In een artikel gepubliceerd op 10 augustus, 2015 in het tijdschrift Natuurcommunicatie , Michaël Arnoldus, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan UW-Madison, PhD-student Robert Jacobberger, en hun medewerkers beschrijven hun nieuwe benadering voor het produceren van grafeen nanoribbons. belangrijk, hun techniek kan gemakkelijk worden geschaald voor massaproductie en is compatibel met de heersende infrastructuur die wordt gebruikt bij de verwerking van halfgeleiders.

"Grafeen-nanoribbons die direct op het oppervlak van een halfgeleider zoals germanium kunnen worden gekweekt, zijn beter compatibel met vlakke verwerking die wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie, en dus zou er minder barrière zijn om deze werkelijk uitstekende materialen in de toekomst in elektronica te integreren, ' zegt Arnoldus.

grafeen, een vel koolstofatomen dat slechts één atoom dik is, geleidt elektriciteit en voert warmte veel efficiënter af dan silicium, het materiaal dat het meest wordt aangetroffen in de computerchips van vandaag. Maar om de opmerkelijke elektronische eigenschappen van grafeen te benutten in halfgeleidertoepassingen waar stroom moet worden in- en uitgeschakeld, grafeen nanoribbons moeten minder dan 10 nanometer breed zijn, die fenomenaal smal is. In aanvulling, de nanolinten moeten glad zijn, goed gedefinieerde "fauteuil" -randen waarin de koolstof-koolstofbindingen evenwijdig zijn aan de lengte van het lint.

Onderzoekers hebben meestal nanolinten gefabriceerd door lithografische technieken te gebruiken om grotere vellen grafeen in linten te snijden. Echter, deze "top-down" fabricagebenadering mist precisie en produceert nanolinten met zeer ruwe randen.

Een andere strategie voor het maken van nanolinten is het gebruik van een "bottom-up"-benadering, zoals oppervlakte-ondersteunde organische synthese, waar moleculaire voorlopers op een oppervlak reageren om nanoribbons te polymeriseren. Arnold zegt dat oppervlakte-ondersteunde synthese prachtige nanolinten kan produceren met nauwkeurige, zachte randen, maar deze methode werkt alleen op metalen substraten en de resulterende nanoribbons zijn dus veel te kort voor gebruik in elektronica.

Om deze hindernissen te overwinnen, de UW-Madison-onderzoekers pionierden met een bottom-up-techniek waarbij ze ultrasmalle nanoribbons met gladde, rechte randen rechtstreeks op germaniumwafels met behulp van een proces dat chemische dampafzetting wordt genoemd. In dit proces, de onderzoekers beginnen met methaan, die adsorbeert aan het germaniumoppervlak en ontleedt om verschillende koolwaterstoffen te vormen. Deze koolwaterstoffen reageren met elkaar op het oppervlak, waar ze grafeen vormen.

Het team van Arnold brak door toen het onderzoek deed om de groeisnelheid van de grafeenkristallen drastisch te vertragen door de hoeveelheid methaan in de chemische dampafzettingskamer te verminderen. Ze ontdekten dat bij een zeer langzame groei, de grafeenkristallen groeien van nature uit tot lange nanoribbons op een specifiek kristalfacet van germanium. Door simpelweg de groeisnelheid en groeitijd te regelen, de onderzoekers kunnen de breedte van het nanolint gemakkelijk afstemmen op minder dan 10 nanometer.

"Wat we hebben ontdekt, is dat wanneer grafeen op germanium groeit, het vormt van nature nanolinten met deze zeer gladde, fauteuil randen, " zegt Arnold. "De breedtes kunnen erg zijn, erg smal en de lengtes van de linten kunnen erg lang zijn, dus alle gewenste functies die we willen in grafeen nanoribbons gebeuren automatisch met deze techniek."

De met deze techniek geproduceerde nanoribbons beginnen te kiemen, of groeien, op schijnbaar willekeurige plekken op het germanium en zijn in twee verschillende richtingen op het oppervlak georiënteerd. Arnold zegt dat het toekomstige werk van het team zal zijn om te controleren waar de linten beginnen te groeien en ze allemaal in dezelfde richting uit te lijnen.