"Grafeen bestaat al een tijdje en wordt gezien als iets dat potentieel een elektronisch materiaal met hoge snelheid zou kunnen zijn, misschien zelfs een vervanging voor silicium", legt Lyding uit. "Maar het probleem met grafeen zelf is dat het geen halfgeleider is."

Grafeen is een laag koolstofatomen van één atoom dik en hoewel het misschien wel het dunste bekende materiaal is, is het ook ongelooflijk sterk. Halfgeleidereigenschappen kunnen in grafeen worden geïnduceerd door het heel klein te maken of door het in specifieke vormen te fabriceren, zoals linten. Voor dit project werden atomair nauwkeurige GNR's gesynthetiseerd door co-auteur Alexander Sinitskii en zijn groep aan de Universiteit van Nebraska.

Het proces om van de GNR's een transistor te maken, omvat het plaatsen ervan op een siliciumsubstraat, het verbinden van draden en het laten lopen van stroom door de draden om de eigenschappen van de transistor te meten. Het team heeft de cruciale stap gezet door de GNR's, die een kleinere diameter hebben dan een DNA-molecuul, te nemen en te bedraden. Ze hebben een techniek ontwikkeld waarbij de draden ook maar een paar nanometer breed zijn.

Andere onderzoekers hebben aan dit probleem gewerkt door veel GNR's op een siliciumoppervlak te plaatsen en gigantische elektroden neer te zetten en er het beste van te hopen. Deze methode brengt echter veel onzekerheid met zich mee. Lyding en zijn studenten gebruikten een nauwkeurigere methode voor het aansluiten van de GNR's. Ze gebruikten een scanning tunneling microscoop (een beeldvormingsinstrument met atomaire resolutie) om het oppervlak te scannen op zoek naar een GNR die ze konden gebruiken.

Bij STM wordt een scherpe punt dicht bij een oppervlak gebracht – in de orde van een nanometer – en over het oppervlak gescand. Er loopt een stroom tussen de punt en het oppervlak, en wanneer de punt atomen op het oppervlak tegenkomt, zoals wanneer hij over een verkeersdrempel rijdt, wordt die stroom gemoduleerd. Dit maakt de detectie en beeldvorming van de GNR's mogelijk.

Zodra ze een GNR hebben gevonden, gebruiken ze de elektronenbundel in de STM om metaalafzetting uit hafniumdiboride-precursormoleculen te activeren om de draden te creëren. Co-auteur Gregory Girolami en zijn groep op de afdeling Chemie van UIUC synthetiseerden de voorloper van dit proces, genaamd STM direct-write. "Onze bedradingsmethode is heel nauwkeurig. Als we een GNR zien, kunnen we gewoon een patroon definiëren dat we willen, en dan verbinden we het. Het is niet zomaar blindelings elektroden op het oppervlak gooien", zegt Huang.

Een ander voordeel van deze methode is dat deze in ultrahoog vacuüm (UHV) wordt uitgevoerd. Dit zorgt ervoor dat het materiaal schoon blijft van atmosferisch water en andere "rommel" die de prestaties van het apparaat verslechtert.

De onderzoekers onderzochten ook het elektronische karakter van de GNR's en ontdekten dat dit werd veranderd door de metalen contacten erop te plaatsen. Halfgeleider-"doping" is de opzettelijke introductie van onzuiverheden om de elektronische eigenschappen ervan te veranderen.

Sun legt uit:‘Eén manier om GNR’s te doteren is door verschillende chemische reacties te gebruiken om de GNR-eigenschappen te veranderen. Maar dat proces is moeilijk. De manier waarop we dat doen is door metaal af te zetten. En we kunnen feitelijk het soort metaal kiezen dat we willen gebruiken. zet de GNR's op die ook de GNR-karakteristieken kunnen afstemmen. Dat is een manier om onze GNR's feitelijk te doteren, zonder daadwerkelijk doteermiddelen te gebruiken."

Lyding zegt:"De volgende stap, waar we nu aan werken, is het maken van een echte transistor en het daadwerkelijk meten van de transistorkarakteristieken. Maar we weten dat we dit ongerepte proces, met behulp van ultrahoog vacuüm, kunnen uitvoeren om de elektroden te maken die absoluut noodzakelijk zijn voor het functioneren van het apparaat."

Meer informatie: Pin-Chiao Huang et al., Sub-5 nm-contacten en geïnduceerde p-n-junctievorming in individuele atomair nauwkeurige grafeen-nanolinten, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c02794

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door Grainger College of Engineering van de Universiteit van Illinois