Skabeloneret vækstteknik producerer grafen -nanoribbons med metalliske egenskaber

En ny "skabeloneret vækst" -teknik til fremstilling af nanoribbons af epitaxial grafen har produceret strukturer kun 15 til 40 nanometer brede, der leder strøm uden næsten nogen modstand. Disse strukturer kunne løse udfordringen med at forbinde grafenenheder fremstillet med konventionelle arkitekturer - og sætte scenen for en ny generation af enheder, der drager fordel af elektroners kvanteegenskaber.

"Vi kan nu gøre meget snævert, ledende nanoribbons, der har kvanteballistiske egenskaber, "sagde Walt de Heer, en professor på School of Physics ved Georgia Institute of Technology. "Disse smalle bånd bliver næsten som et perfekt metal. Elektroner kan bevæge sig igennem dem uden at spredes, ligesom de gør i carbon nanorør. "

De Heer skulle efter planen diskutere de seneste resultater af denne grafenvækstproces 21. marts på American Physical Society's møde i marts 2011 i Dallas. Forskningen blev sponsoreret af National Science Foundation-støttede Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC).

Først rapporteret den 3. oktober i den forudgående online -udgave af tidsskriftet Naturnanoteknologi , den nye fremstillingsteknik tillader produktion af epitaksiale grafenstrukturer med glatte kanter. Tidligere fremstillingsteknikker, der brugte elektronstråler til at skære grafenplader, producerede nanoribbonstrukturer med ru kanter, der spredte elektroner, forårsager interferens. De resulterende nanoribbons havde egenskaber mere som isolatorer end ledere.

"I vores skabeloniserede vækstmetode, vi har i det væsentlige elimineret de kanter, der tager væk fra grafens ønskelige egenskaber, "de Heer forklaret." Kanterne på det epitaksiale grafen smelter sammen med siliciumcarbidet, producere ejendomme, der virkelig er ret interessante. "

"Templated growth" -teknikken begynder med ætsningsmønstre i siliciumcarbidoverfladerne, hvorpå epitaxial grafen dyrkes. Mønstrene fungerer som skabeloner, der styrer væksten af ​​grafenstrukturer, muliggør dannelse af nanoribbons og andre strukturer med specifikke bredder og former uden brug af skæreteknikker, der producerer de ru kanter.

Ved oprettelsen af ​​disse grafen -nanostrukturer, de Heer og hans forskergruppe bruger først konventionelle mikroelektronikteknikker til at ætte små "trin" - eller konturer - ind i en siliciumcarbidskive, hvis overflade er blevet gjort ekstremt flad. De opvarmer derefter den konturerede wafer til cirka 1, 500 grader Celsius, som starter smeltning, der polerer eventuelle ru kanter, der efterlades ved ætsningsprocessen.

Etablerede teknikker bruges derefter til dyrkning af grafen fra siliciumcarbid ved at fjerne siliciumatomerne fra overfladen. I stedet for at producere et konsistent lag af grafen på tværs af hele skiven, imidlertid, forskerne begrænser opvarmningstiden, så grafen kun vokser på dele af konturerne.

Bredden af ​​de resulterende nanoribbons er proportional med dybden af ​​konturerne, tilvejebringe en mekanisme til præcis styring af nanoribbon -strukturer. For at danne komplekse strukturer, flere ætsningstrin kan udføres for at oprette komplekse skabeloner.

"Denne teknik giver os mulighed for at undgå de komplicerede e-beam litografi trin, som folk har brugt til at skabe strukturer i epitaxial grafen, "de Heer bemærkede." Vi ser meget gode egenskaber, der viser, at disse strukturer kan bruges til rigtige elektroniske applikationer. "

Siden offentliggørelsen af ​​Nature Nanotechnology -papiret de Heers team har forbedret sin teknik. "Vi har taget dette til det ekstreme - de reneste og smalleste bånd, vi kan lave, "sagde han." Vi forventer at kunne gøre alt, hvad vi har brug for med de størrelsesbånd, som vi er i stand til at lave lige nu, selvom vi sandsynligvis kunne reducere bredden til 10 nanometer eller mindre. "

Mens Georgia Tech-teamet fortsætter med at udvikle højfrekvente transistorer-måske endda i terahertz-området-fokuserer dets primære indsats nu på at udvikle kvanteenheder, sagde de Heer. Sådanne anordninger blev forudset i de patenter, Georgia Tech besidder på forskellige epitaksielle grafenprocesser.

"Det betyder, at den måde, vi vil gøre grafenelektronik på, vil være anderledes, "forklarede han." Vi følger ikke modellen med brug af standardfelt-effekt-transistorer (FET'er), men vil forfølge enheder, der bruger ballistiske ledere og kvanteinterferens. Vi er lige på vej mod at bruge elektronbølgeeffekterne i grafen. "

Ved at udnytte bølgeegenskaberne kan elektroner manipuleres med teknikker, der ligner dem, der bruges af optiske ingeniører. For eksempel, skifte kan udføres ved hjælp af interferenseffekter - adskillelse af elektronstråler og derefter rekombination af dem i modsatte faser for at slukke signalerne.

Quantum -enheder ville være mindre end konventionelle transistorer og fungere ved lavere effekt. På grund af dets evne til at transportere elektroner med stort set ingen modstand, epitaksial grafen kan være det ideelle materiale til sådanne enheder, sagde de Heer.

"Brug af elektroners kvanteegenskaber frem for standard ladede partikelegenskaber betyder åbning af nye måder at se på elektronik, "forudsagde han." Dette er sandsynligvis den måde, elektronik vil udvikle sig på, og det ser ud til, at grafen er det ideelle materiale til denne overgang. "

De Heers forskergruppe håber at demonstrere en rudimentær omskifter, der arbejder på kvanteinterferensprincippet inden for et år.

Epitaksial grafen kan være grundlaget for en ny generation af højtydende enheder, der vil drage fordel af materialets unikke egenskaber i applikationer, hvor højere omkostninger kan begrundes. Silicium, dagens valgbare elektroniske materiale, vil fortsat blive brugt i applikationer, hvor høj ydeevne ikke er påkrævet, sagde de Heer.

"Dette er et vigtigt trin i processen, "tilføjede han." Der kommer mange overraskelser, når vi bevæger os ind i disse kvanteenheder og finder ud af, hvordan de fungerer. Vi har god grund til at tro, at dette kan være grundlaget for en ny generation af transistorer baseret på kvanteinterferens. "