Graphene:Nyt elektronikmateriale tættere på kommerciel virkelighed

(PhysOrg.com)-Forskere har udviklet en metode til at skabe single-crystal arrays af et materiale kaldet grafen, et fremskridt, der åbner mulighed for en udskiftning af silicium i højtydende computere og elektronik.

Grafen er et et-atom-tykt lag af kulstof, der leder elektricitet med lidt modstand eller varmeudvikling. Arraysne kunne muliggøre en ny klasse af højhastighedstransistorer og integrerede kredsløb, der forbruger mindre energi end konventionel siliciumelektronik.

De nye fund repræsenterer et fremskridt mod at perfektionere en metode til fremstilling af store mængder enkeltkrystaller af materialet, ligner produktionen af ​​siliciumskiver.

"Graphene er der ikke endnu, hvad angår masseproduktion af høj kvalitet som silicium, men dette er et meget vigtigt skridt i den retning, "sagde Yong P. Chen, tilsvarende forfatter til det nye studie og Miller Family Assistant Professor i nanovidenskab og fysik ved Purdue University.

Andre forskere har dyrket enkelte krystaller af grafen, men ingen andre har demonstreret, hvordan man opretter bestilte arrays, eller mønstre, der kunne bruges til at fremstille kommercielle elektroniske enheder og integrerede kredsløb.

De sekskantede enkeltkrystaller initieres fra grafit "frø" og dyrkes derefter oven på en kobberfolie inde i et kammer indeholdende metangas ved hjælp af en proces kaldet kemisk dampaflejring. Den seedede vækstmetode, kritisk for de nye fund, blev opfundet af Qingkai Yu, co-tilsvarende forfatter til undersøgelsen og en assisterende professor ved Texas State University's Ingram School of Engineering.

"Ved hjælp af disse frø, vi kan vokse en ordnet række af tusinder eller millioner af enkelte krystaller af grafen, "sagde Yu, der var banebrydende for metoden, mens han var forsker ved University of Houston. "Vi håber, at industrien vil se på disse fund og betragte de bestilte arrays som et muligt middel til at fremstille elektroniske enheder."

Resultaterne er detaljeret i et forskningsartikel, der vises online i denne uge og i juni -udgaven af Naturmaterialer . Arbejdet blev udført af forskere på Purdue, universitetet i Houston, Texas State University, Brookhaven National Laboratory, Argonne National Laboratories og Carl Zeiss SMT Inc.

Graphen er i øjeblikket skabt i "polykrystallinske" plader, der består af tilfældigt placerede og uregelmæssigt formede "korn" flettet sammen. At have et ordnet array betyder, at positionerne for hver krystal er forudsigelige, og ikke tilfældige, da de er i polykrystallinsk film.

Arraysne gør det muligt for forskere at placere elektroniske enheder præcist i hvert korn, som er en enkelt krystal med en sømløs gitterstruktur, der forbedrer elektriske egenskaber, sagde Eric Stach, en forsker ved Brookhaven og tidligere Purdue professor i materialeteknik.

De nye forskningsresultater bekræftede en teori om, at strømmen af ​​elektroner er forhindret på det punkt, hvor et korn møder et andet. Arrays af enkeltkrystalkorn kan eliminere dette problem.

Forskerne demonstrerede, at de kunne kontrollere væksten af ​​de bestilte arrays; var de første til at demonstrere de elektroniske egenskaber ved individuelle korngrænser; og de fandt ud af, at kanterne på et enkelt sekskantet krystalkorn er parallelle med veldefinerede retninger i grafens atomgitter, afslører orienteringen af ​​hver krystal.

At kende orienteringen er nødvendig for at måle krystallernes præcise egenskaber, at levere de oplysninger, der er nødvendige for at skabe bedre elektroniske enheder. For at bestemme orienteringen af ​​grafengitteret, forskerne brugte to slags avancerede mikroskopiteknikker kendt som transmissionselektronmikroskopi og scanningstunnelmikroskopi. Teknikkerne leverede ekstremt højopløselige billeder af individuelle carbonatomer, der udgør grafen.

De elektroniske egenskaber på tværs af korngrænserne blev målt ved hjælp af bittesmå elektroder forbundet til to tilstødende korn.

Fund viste en højere elektrisk modstand ved korngrænserne og viste også, at grænserne forhindrer elektrisk ledning på grund af spredning af elektroner. Dette fund blev korreleret ved hjælp af en anden teknik kaldet Raman -spektroskopi.

Papiret blev forfattet af Yu og Purdue kandidatstuderende Luis A. Jauregui, Houston -kandidatstuderende Wei Wu, Purdue -kandidatstuderende Robert Colby, Purdue postdoktor Jifa Tian, sammen med 12 andre forskere, herunder Stach og Chen.