Vanuit het oogpunt van een elektron, grafeen moet een huiveringwekkende thrill ride zijn. Voor jaren, wetenschappers hebben waargenomen dat elektronen door grafeen kunnen flitsen met snelheden die de lichtsnelheid benaderen, veel sneller dan ze door silicium en andere halfgeleidende materialen kunnen reizen.

grafeen, daarom, is aangeprezen als een veelbelovende opvolger van silicium, met het potentieel om sneller, efficiëntere elektronische en fotonische apparaten.

Maar het vervaardigen van ongerept grafeen - een enkele, perfect vlak, ultradunne plaat van koolstofatomen, precies uitgelijnd en aan elkaar gekoppeld als kippengaas - is buitengewoon moeilijk. Conventionele fabricageprocessen veroorzaken vaak rimpels, die de kogeltreinreis van een elektron kan laten ontsporen, de elektrische prestaties van grafeen aanzienlijk beperken.

Nu hebben ingenieurs van MIT een manier gevonden om grafeen te maken met minder rimpels, en om de rimpels die verschijnen glad te strijken. Na het fabriceren en vervolgens uitvlakken van het grafeen, de onderzoekers testten de elektrische geleidbaarheid. Ze ontdekten dat elke wafel uniforme prestaties vertoonde, wat betekent dat elektronen vrij over elke wafel stroomden, met vergelijkbare snelheden, zelfs in voorheen gerimpelde regio's.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , de onderzoekers melden dat hun technieken met succes waferschaal produceren, "single-domain" grafeen-enkele lagen grafeen die uniform zijn in zowel atomaire rangschikking als elektronische prestaties.

"Om grafeen te laten spelen als een belangrijk halfgeleidermateriaal voor de industrie, het moet een enkel domein zijn, zodat als je er miljoenen apparaten op maakt, de prestaties van de apparaten zijn op elke locatie hetzelfde, " zegt Jeehwan Kim, the Class of 1947 Career Development Assistant Professor in de afdelingen Werktuigbouwkunde en Materials Science and Engineering aan het MIT. "Nu kunnen we grafeen met één domein echt op waferschaal produceren."

Tot de co-auteurs van Kim behoren Sanghoon Bae, Samuël Cruz, en Yunjo Kim van MIT, samen met onderzoekers van IBM, de Universiteit van Californië in Los Angeles, en Kyungpook National University in Zuid-Korea.

Een lappendeken van rimpels

De meest gebruikelijke manier om grafeen te maken, is chemische dampafzetting, of CVD, een proces waarbij koolstofatomen worden afgezet op een kristallijn substraat zoals koperfolie. Zodra de koperfolie gelijkmatig is bedekt met een enkele laag koolstofatomen, wetenschappers dompelen het hele ding onder in zuur om het koper weg te etsen. Wat overblijft is een enkel vel grafeen, die onderzoekers vervolgens uit het zuur halen.

Het CVD-proces kan relatief grote, macroscopische rimpels in grafeen, vanwege de ruwheid van het onderliggende koper zelf en het proces waarbij het grafeen uit het zuur wordt getrokken. De uitlijning van koolstofatomen is niet uniform over het grafeen, het creëren van een "polykristallijne" toestand waarin grafeen lijkt op een ongelijke, lappendeken terrein, voorkomen dat elektronen met uniforme snelheden stromen.

In 2013, terwijl ik bij IBM werkte, Kim en zijn collega's ontwikkelden een methode om wafels van monokristallijn grafeen te fabriceren, waarin de oriëntatie van koolstofatomen in een wafel exact hetzelfde is.

In plaats van CVD te gebruiken, zijn team produceerde monokristallijn grafeen uit een siliciumcarbidewafel met een atomair glad oppervlak, zij het met kleine, stapvormige rimpels in de orde van enkele nanometers. Vervolgens gebruikten ze een dunne laag nikkel om het bovenste grafeen van de siliciumcarbidewafel af te pellen, in een proces dat laagopgeloste grafeenoverdracht wordt genoemd.

Strijkkosten

In hun nieuwe krant Kim en zijn collega's ontdekten dat de laag-opgeloste grafeenoverdracht de treden en kleine rimpels in siliciumcarbide-gefabriceerd grafeen gladstrijkt. Alvorens de laag grafeen op een siliciumwafeltje over te brengen, het team heeft het silicium geoxideerd, het creëren van een laag siliciumdioxide die van nature elektrostatische ladingen vertoont. Toen de onderzoekers het grafeen deponeerden, het siliciumdioxide trok effectief de koolstofatomen van grafeen naar beneden op de wafel, het afvlakken van zijn stappen en rimpels.

Kim zegt dat deze strijkmethode niet zou werken op door CVD vervaardigd grafeen. aangezien de rimpels die door CVD worden gegenereerd veel groter zijn, in de orde van enkele microns.

"Het CVD-proces creëert rimpels die te hoog zijn om glad te strijken, ' merkt Kim op. 'Voor siliciumcarbide grafeen, de rimpels zijn slechts enkele nanometers hoog, kort genoeg om te worden afgevlakt."

Om te testen of de afgeplatte, enkelkristallijne grafeenwafels waren één domein, de onderzoekers fabriceerden minuscule transistoren op meerdere plaatsen op elke wafer, inclusief in eerder gerimpelde regio's.

"We hebben de mobiliteit van elektronen door de wafels gemeten, en hun prestaties waren vergelijkbaar, " zegt Kim. "Bovendien, deze mobiliteit in gestreken grafeen is twee keer sneller. Dus nu hebben we echt grafeen met één domein, en de elektrische kwaliteit is veel hoger [dan aan grafeen gehecht siliciumcarbide]."

Kim zegt dat hoewel er nog steeds uitdagingen zijn om grafeen aan te passen voor gebruik in elektronica, de resultaten van de groep geven onderzoekers een blauwdruk voor het betrouwbaar produceren van ongerepte, enkel domein, kreukvrij grafeen op wafelschaal.

"Als je een elektronisch apparaat wilt maken met grafeen, je moet werken met grafeen met één domein, Kim zegt. "Er is nog een lange weg te gaan om van grafeen een operationele transistor te maken. Maar we kunnen nu de gemeenschapsrichtlijnen laten zien voor hoe je monokristallijne, grafeen met één domein."