Grafenfilm klarer store fremstillingshinder

grafen, den todimensionelle krystallinske form af kulstof, er en potentiel superstjerne for elektronikindustrien. Med vildt mobile elektroner, der kan flamme gennem materialet med næsten lysets hastighed - 100 gange hurtigere end elektroner kan bevæge sig gennem silicium - kunne grafen bruges til at lave superhurtige transistorer eller computerhukommelseschips. Grafens unikke "kyllingetråd" atomstruktur udviser utrolig fleksibilitet og mekanisk styrke, samt usædvanlige optiske egenskaber, der kunne åbne en række lovende døre i både elektronik- og fotonikindustrien. Imidlertid, blandt de forhindringer, der forhindrer grafen i at slutte sig til pantheonet af højteknologiske stjernematerialer, måske er der ingen, der er større end blot at lære at lave tingene i høj kvalitet og brugbare mængder.

"Før vi fuldt ud kan udnytte de overlegne elektroniske egenskaber af grafen i enheder, vi skal først udvikle en metode til at danne ensartede enkeltlags grafenfilm på ikke-ledende substrater i stor skala, " siger Yuegang Zhang, en materialeforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Nuværende fremstillingsmetoder baseret på mekanisk spaltning eller ultrahøjvakuumglødning, han siger, er dårligt egnet til produktion i kommerciel skala. Grafenfilm fremstillet via opløsningsbaseret aflejring og kemisk reduktion har lidt under dårlig eller ujævn kvalitet.

Zhang og kolleger ved Berkeley Labs Molecular Foundry, et U.S. Department of Energy (DOE) center for nanovidenskab, har taget et væsentligt skridt for at fjerne denne store forhindring. De har med succes brugt direkte kemisk dampaflejring (CVD) til at syntetisere enkeltlagsfilm af grafen på et dielektrisk substrat. Zhang og hans kolleger lavede deres grafenfilm ved katalytisk at nedbryde kulbrinteprækursorer over tynde film af kobber, der var blevet aflejret på forhånd på det dielektriske substrat. Kobberfilmene blev efterfølgende afvædet (separeret i vandpytter eller dråber) og blev inddampet. Det endelige produkt var en enkeltlags grafenfilm på et blottet dielektrikum.

"Dette er spændende nyheder for elektroniske applikationer, fordi kemisk dampaflejring er en teknik, der allerede er meget udbredt i halvlederindustrien, " siger Zhang. "Også, vi kan lære mere om væksten af ​​grafen på metalkatalysatoroverflader ved at observere filmens udvikling efter kobberets fordampning. Dette skulle lægge et vigtigt grundlag for yderligere kontrol af processen og gøre os i stand til at skræddersy egenskaberne af disse film eller producere ønskede morfologier, såsom grafen nanobånd."

Zhang og hans kolleger har rapporteret deres resultater i journalen Nano bogstaver i et papir med titlen, "Direkte kemisk dampaflejring af grafen på dielektriske overflader." Andre medforfattere til dette papir var Ariel Ismach, Clara Druzgalski, Samuel Penwell, Maxwell Zheng, Ali Javey og Jeffrey Bokor, alt sammen med Berkeley Lab.

I deres undersøgelse, Zhang og hans kolleger brugte elektronstrålefordampning til at afsætte kobberfilm i tykkelser fra 100 til 450 nanometer. Kobber blev valgt, fordi det som en metalkatalysator med lav kulstofopløselighed forventedes at give bedre kontrol over antallet af fremstillede grafenlag. Flere forskellige dielektriske substrater blev evalueret, herunder enkeltkrystal kvarts, safir, smeltet silica og siliciumoxid wafers. CVD af grafen blev udført ved 1, 000 grader Celsius i varigheder, der varierede fra 15 minutter op til syv timer.

"Dette blev gjort for at give os mulighed for at studere effekten af ​​filmtykkelse, substrattype og CVD-væksttid på grafendannelsen, " siger Zhang.

En kombination af scanning af Raman-kortlægning og spektroskopi, plus scanningselektron- og atomkraftmikroskopi bekræftede tilstedeværelsen af ​​kontinuerlige enkeltlags grafenfilm, der belægger metalfrie områder af dielektrisk substrat, der måler titusvis af kvadratmikrometer.

"Yderligere forbedring af kontrollen af ​​affugtnings- og fordampningsprocessen kan føre til direkte aflejring af mønstret grafen til fremstilling af elektronisk udstyr i stor skala, siger Zhang. "Denne metode kan også generaliseres og bruges til at deponere andre todimensionelle materialer, såsom bornitrid."

Selv forekomsten af ​​rynker i grafenfilmene, der fulgte efter kobberets affugtende form, kunne vise sig at være gavnlig i det lange løb. Selvom tidligere undersøgelser har vist, at rynker i en grafenfilm har en negativ indvirkning på elektroniske egenskaber ved at introducere stammer, der reducerer elektronmobilitet, Zhang mener, at rynkerne kan vendes til en fordel.

"Hvis vi kan lære at kontrollere dannelsen af ​​rynker i vores film, vi skulle være i stand til at modulere den resulterende belastning og derved skræddersy elektroniske egenskaber, " siger han. "Yderligere undersøgelse af rynkedannelsen kunne også give os vigtige nye spor for dannelsen af ​​grafen nanobånd."