In een ontwikkeling die een revolutie teweeg zou kunnen brengen in elektronische ciruitry, een onderzoeksteam van de Universiteit van Wisconsin in Madison (UW) en het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy heeft een nieuwe manier bevestigd om de groeipaden van grafeen-nanoribbons op het oppervlak van een germainum-kristal te beheersen.

Germanium is een halfgeleider en deze methode biedt een eenvoudige manier om halfgeleidende circuits op nanoschaal te maken van grafeen, een vorm van koolstof van slechts één atoom dik.

De methode werd ontdekt door UW-wetenschappers en bevestigd in tests in Argonne.

"Sommige onderzoekers wilden transistors maken van koolstofnanobuisjes, maar het probleem is dat ze in allerlei richtingen groeien, " zei Brian Kiraly van Argonne. "De innovatie hier is dat je deze kunt laten groeien langs circuitpaden die werken voor je technologie."

UW-onderzoekers gebruikten chemische dampafzetting om grafeen-nanoribbons op germaniumkristallen te laten groeien. Bij deze techniek stroomt een mengsel van methaan, waterstof- en argongassen in een buisoven. Bij hoge temperaturen, methaan ontleedt in koolstofatomen die neerslaan op het oppervlak van het germanium om een ​​uniforme grafeenlaag te vormen. Door de instellingen van de kamer aan te passen, het UW-team was in staat om zeer nauwkeurige controle over het materiaal uit te oefenen.

"Wat we hebben ontdekt, is dat wanneer grafeen op germanium groeit, het vormt van nature nanolinten met deze zeer gladde, fauteuil randen, " zei Michael Arnold, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan UW-Madison. "De breedtes kunnen heel, 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."

grafeen, een één-atoom dik, tweedimensionale laag koolstofatomen, staat erom bekend elektronen razendsnel over het oppervlak te bewegen zonder interferentie. Deze hoge mobiliteit maakt het materiaal een ideale kandidaat voor snellere, energiezuinigere elektronica.

Echter, de halfgeleiderindustrie wil circuits naar believen laten starten en stoppen met elektronen via bandgaps, zoals ze doen in computerchips. Als een halfmetaal, grafeen heeft van nature geen bandgaps, waardoor het een uitdaging is voor brede acceptatie door de industrie. Tot nu.

Om deze bevindingen te bevestigen, UW-onderzoekers gingen naar Argonne-personeelswetenschappers Brian Kiraly en Nathan Guisinger van het Center for Nanoscale Materials, een DOE Office of Science User Facility in Argonne.

"We hebben een aantal zeer unieke mogelijkheden hier bij het Center for Nanoscale Materials, "zei Guisinger. "Onze faciliteiten zijn niet alleen ontworpen om te werken met allerlei soorten materialen, van metalen tot oxiden, we kunnen ook karakteriseren, groeien en materialen synthetiseren."

Met behulp van scanning tunneling microscopie, een techniek waarbij elektronen (in plaats van licht of de ogen) worden gebruikt om de kenmerken van een monster te zien, onderzoekers bevestigden de aanwezigheid van grafeen nanoribbons die op het germanium groeien. Gegevens verzameld uit de elektronensignaturen stelden de onderzoekers in staat afbeeldingen te maken van de afmetingen en oriëntatie van het materiaal. In aanvulling, ze waren in staat om de bandstructuur te bepalen en de mate waarin elektronen door het materiaal werden verspreid.

"We kijken naar fundamentele fysieke eigenschappen om te verifiëren dat het zo is, in feite, grafeen en het vertoont enkele karakteristieke elektronische eigenschappen, " zei Kiraly. "Wat nog interessanter is, is dat deze nanolinten kunnen worden gemaakt om in bepaalde richtingen te groeien aan één kant van het germaniumkristal, maar niet de andere twee kanten."

Voor gebruik in elektronische apparaten, de halfgeleiderindustrie is vooral geïnteresseerd in drie zijden van een germaniumkristal. Deze gezichten weergeven in termen van coördinaten (X, ja, Z), waar enkele atomen met elkaar verbonden zijn in een diamantachtige rasterstructuur, elk vlak van een kristal (1, 1, 1) zal assen hebben die verschillen van één (1, 1, 0) naar de andere (1, 0, 0).

Eerder onderzoek toont aan dat grafeenplaten kunnen groeien op germaniumkristalvlakken (1, 1, 1) en (1, 1, 0). Echter, dit is de eerste keer dat een onderzoek de groei van grafeen-nanoribbons op de (1, 0, 0) gezicht.

Terwijl hun onderzoek voortduurt, onderzoekers kunnen nu hun inspanningen richten op waarom zelfgestuurde grafeen nanoribbons groeien op de (1, 0, 0) onder ogen zien en bepalen of er een unieke interactie is tussen het germanium en grafeen die een rol kan spelen.