Siliciumkristallen zijn de halfgeleiders die het meest worden gebruikt om transistors te maken, dit zijn kritische elektronische componenten die worden gebruikt om logische bewerkingen uit te voeren in de computer. Echter, naarmate er snellere en krachtigere processors worden gecreëerd, silicium heeft een prestatielimiet bereikt:hoe sneller het elektriciteit geleidt, hoe warmer het wordt, leiden tot oververhitting.

grafeen, gemaakt van een enkel atoom dik vel koolstof, blijft veel koeler en kan veel sneller geleiden, maar het moet in kleinere stukjes zijn, nanolinten genoemd, om als halfgeleider te fungeren. Ondanks veel vooruitgang in de fabricage en karakterisering van nanolinten, ze netjes overbrengen op oppervlakken die worden gebruikt voor chipproductie was een grote uitdaging.

Een recent onderzoek uitgevoerd door onderzoekers van het Beckman Institute for Advanced Science and Technology van de University of Illinois en de Department of Chemistry van de University of Nebraska-Lincoln heeft de eerste belangrijke stap aangetoond in de richting van de integratie van atomair nauwkeurige grafeen nanoribbons (APGNR's) op niet-metalen substraten . De krant, "Oplossing gesynthetiseerde Chevron grafeen nanoribbons geëxfolieerd op H:Si(100), " werd gepubliceerd in Nano-letters .

Grafeen nanoribbons meten slechts enkele nanometers breed, buiten de limieten van conventionele chip top-down patroonvorming die wordt gebruikt bij chipproductie. Als resultaat, wanneer gesneden uit grotere stukken grafeen door verschillende nanofabricagebenaderingen, grafeen nanoribbons zijn niet uniform of smal genoeg om de gewenste halfgeleidereigenschappen te vertonen.

"Als je van boven naar beneden gaat, het is erg moeilijk om controle te krijgen over de breedte. Het blijkt dat als de breedte met slechts een atoom of twee moduleert, de eigenschappen veranderen aanzienlijk, " zei Adrian Radocea, een doctoraatsstudent in de Nanoelectronics and Nanomaterials Group van Beckman.

Als resultaat, de nanolinten moeten gemaakt zijn van "bottom up, " van kleinere moleculen om atomair nauwkeurige nanolinten te creëren met zeer uniforme elektronische eigenschappen.

"Het is als moleculaire bouwstenen:een beetje zoals lego's aan elkaar klikken om iets te bouwen, "zei Radocea. "Ze sluiten op hun plaats, en je krijgt de exacte controle over de lintbreedte."

De "bottom-up" benadering werd voor het eerst getoond voor grafeen nanoribbons door Cai et al. in een Nature-paper uit 2010 waarin de groei van atomair nauwkeurige grafeen-nanoribbons op metalen substraten wordt aangetoond. In 2014, de onderzoeksgroep van Alexander Sinitskii aan de Universiteit van Nebraska-Lincoln ontwikkelde een alternatieve benadering voor het maken van atomair nauwkeurige grafeen nanoribbons in oplossing.

"De eerder aangetoonde synthese op metalen substraten levert grafeen nanoribbons van zeer hoge kwaliteit op, maar hun aantal is vrij klein, omdat de groei beperkt bleef tot het oppervlak van het edelmetaal, " zei Sinitskii, universitair hoofddocent scheikunde aan de Universiteit van Nebraska-Lincoln en auteur van de studie. "Het is moeilijk om deze synthese op te schalen. wanneer nanoribbons worden gesynthetiseerd in de onbeperkte driedimensionale oplossingsomgeving, ze kunnen in grote hoeveelheden worden geproduceerd."

De moeilijkheid om nanoribbons netjes over te brengen komt voort uit de hoge gevoeligheid voor milieuverontreinigingen. Zowel in oplossing gesynthetiseerde als aan het oppervlak gegroeide nanoribbons worden tijdens het overdrachtsproces blootgesteld aan chemicaliën die de prestaties van grafeen-nanoribbon-apparaten kunnen beïnvloeden. Om deze uitdaging te overwinnen, het interdisciplinaire team gebruikte een droge transfer in een ultrahoogvacuümomgeving.

Een glasvezelapplicator bekleed met grafeen nanoribbonpoeder werd verwarmd om verontreinigingen en oplosmiddelresten te verwijderen en vervolgens op een vers bereid waterstof-gepassiveerd siliciumoppervlak geperst. De nanoribbons werden in detail bestudeerd met ultrahoog vacuüm scanning tunneling microscoop ontwikkeld door Joseph Lyding, hoogleraar elektrische en computertechniek in Illinois en een auteur van de studie. De onderzoekers verkregen afbeeldingen op atomaire schaal en elektronische metingen van de grafeen-nanoribbons die cruciaal waren voor het bevestigen van hun elektronische eigenschappen en het begrijpen van de invloed van het substraat.

Computationele expertise beschikbaar bij Beckman, Radocea legde uit, speelde een belangrijke rol bij het begrijpen van de experimentele resultaten. "Ik was nog steeds meer gegevens aan het verzamelen om erachter te komen wat er aan de hand was. Toen de modelleringsresultaten binnenkwamen en we de gegevens anders begonnen te bekijken, het was allemaal logisch."

Leden van Beckman's Computational Multiscale Nanosystems Group, Tao zon, een doctoraatsstudent, en Narayana Aluru, hoogleraar mechanische wetenschappen en techniek, leverde expertise in computationele modellering via dichtheidsfunctionaaltheorie om de eigenschappen van de nanoribbons te onderzoeken.

"Berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie gaven een dieper inzicht in de elektronische eigenschappen van het geïntegreerde systeem en de interacties tussen grafeen-nanoribbons en het siliciumsubstraat, " zei Sun. "Het was opwindend dat de computationele resultaten konden helpen bij het verklaren en bevestigen van de experimentele resultaten en een coherent verhaal opleverden."

"Atomair nauwkeurige grafeen-nanoribbons (APGNR's) zijn serieuze kandidaten voor het post-siliciumtijdperk wanneer conventionele siliciumtransistorschaal faalt, "Zei Lyding. "Dit toont de eerste belangrijke stap aan in de richting van integratie van APGNR's met technologisch relevante siliciumsubstraten."

"Ik vind het project erg spannend omdat je dingen bouwt met controle op atomair niveau, dus je probeert elk atoom precies te plaatsen waar je het wilt hebben, " zei Radocea. "Er zijn niet veel materialen waarvan je kunt zeggen dat je dat vermogen hebt. Nanolinten zijn spannend omdat er een echte behoefte en een echte toepassing is."