Styring af siliciumfordampning giver forskerne mulighed for at øge grafenkvaliteten

Forskere fra Georgia Institute of Technology har for første gang givet detaljer om deres "indeslutningskontrollerede sublimations"-teknik til dyrkning af højkvalitetslag af epitaksial grafen på siliciumcarbidwafere. Teknikken bygger på at kontrollere damptrykket af gasfasesilicium i højtemperaturovnen, der bruges til fremstilling af materialet.

Det grundlæggende princip for dyrkning af tynde lag af grafen på siliciumcarbid kræver opvarmning af materialet til ca. 500 grader Celsius under højvakuum. Varmen driver silicium af, efterlader et eller flere lag grafen. Men ukontrolleret fordampning af silicium kan producere materiale af dårlig kvalitet, der er ubrugeligt for designere af elektroniske enheder.

"Til dyrkning af højkvalitets grafen på siliciumcarbid, at kontrollere fordampningen af ​​silicium ved den helt rigtige temperatur er afgørende, "sagde Walt de Heer, en professor, der var banebrydende for teknikken i Georgia Tech School of Physics. "Ved præcis at kontrollere hastigheden, hvormed silicium kommer ud af waferen, vi kan kontrollere hastigheden, hvormed grafen produceres. Det giver os mulighed for at producere meget flotte lag af epitaksial grafen."

De Heer og hans team begynder med at placere en siliciumcarbidwafer i et kabinet lavet af grafit. Et lille hul i beholderen kontrollerer udslip af siliciumatomer, når den en kvadratcentimeter store wafer opvarmes, opretholdelse af siliciumfordampnings- og kondensationshastigheden nær dets termiske ligevægt. Væksten af ​​epitaksial grafen kan ske i et vakuum eller i nærværelse af en inert gas såsom argon, og kan bruges til at producere både enkeltlag og flere lag af materialet.

"Denne teknik ser ud til at være fuldstændig i tråd med, hvad folk en dag kan gøre i fabrikationsfaciliteter, " sagde de Heer. "Vi mener, at dette er ret vigtigt for at give os mulighed for rationelt og reproducerbart at dyrke grafen på siliciumcarbid. Vi føler, at vi nu forstår processen, og tror på, at det kunne skaleres op til elektronikfremstilling."

Teknikken til at dyrke store lag af epitaksial grafen blev beskrevet i denne uge i den tidlige udgave af tidsskriftet Procedurer fra National Academy of Sciences . Forskningen er blevet støttet af National Science Foundation gennem Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), luftvåbnets kontor for videnskabelig forskning, og W.M. Keck Fonden.

Papiret beskriver også en teknik til at dyrke smalle grafenbånd, en proces, som de Heers gruppe har kaldt "skabelonvækst." Den teknik, som kunne være nyttige til at lave grafenforbindelser, blev først beskrevet i oktober 2010 i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Den skabelonformede vækstteknik involverer ætsning af mønstre i siliciumcarbidoverflader ved hjælp af konventionelle nanolitografiprocesser. Mønstrene tjener som skabeloner, der styrer væksten af ​​grafenstrukturer på dele af de mønstrede overflader. Teknikken danner nanobånd af bestemte bredder uden brug af elektronstråler eller andre destruktive skæreteknikker. Grafen nanobånd fremstillet med disse skabeloner har glatte kanter, der undgår problemer med elektronspredning.

Sammen, de to teknikker giver forskere fleksibiliteten til at producere grafen i former, der passer til forskellige behov, de Heer bemærket. Plader af grafen med stort areal kan dyrkes på både de carbon-terminerede og silicium-terminerede sider af en siliciumcarbid wafer, mens de smalle bånd kan dyrkes på den siliciumterminerede side. På grund af forskellige behandlingsteknikker, kun den ene side af en bestemt wafer kan bruges.

Georgia Tech-forskerholdet - som omfatter Claire Berger, Ming Ruan, Mike Sprinkle, Xuebin Li, Yike Hu, Baiqian Zhang, John Hankinson og Edward Conrad - har hidtil fremstillet strukturer så smalle som 10 nanometer ved hjælp af skabelonvækstteknikken. Disse nanotråde udviser interessante kvantetransportegenskaber.

"Vi kan lave meget gode kvantetråde ved hjælp af skabelonvækstteknikken, "sagde de Heer." Vi kan lave store strukturer og enheder, der demonstrerer Quantum Hall -effekten, hvilket er vigtigt for mange applikationer. Vi har demonstreret, at skabelonvækst kan gå helt ned til nanoskalaen, og at ejendommene bliver endnu bedre der«.

Udviklingen af ​​sublimationsteknikken opstod fra bestræbelser på at beskytte den voksende grafen mod ilt og andre forurenende stoffer i ovnen. For at imødekomme kvalitetsproblemerne, forskerholdet forsøgte at lukke waferen i en grafitbeholder, hvorfra noget siliciumgas fik lov til at lække ud.

"Vi indså hurtigt, at grafen dyrket i beholderen var meget bedre end det, vi havde produceret, " huskede de Heer. "Oprindeligt, vi troede, det var fordi vi beskyttede det mod forurenende stoffer. Senere, vi indså, at det var, fordi vi kontrollerede fordampningen af ​​silicium."

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

Selvom forskere stadig kæmper for at designe epitaksiale grafenenheder i nanometerskala, der udnytter materialets unikke egenskaber, de Heer er overbevist om, at det i sidste ende vil blive gjort.

"Disse teknikker giver os mulighed for at lave nøjagtige nanostrukturer og ser ud til at være meget lovende til at lave de nanoskalaenheder, vi har brug for, " sagde han. "Mens der er alvorlige udfordringer forude for at bruge grafen i elektronik, vi har overvundet vejspærringer før."