Undersøgelse sammenligner grundlæggende teknikker til doping af grafenplader

(PhysOrg.com) -- Nanoteknologiforskere ved Georgia Institute of Technology har foretaget den første direkte sammenligning af to grundlæggende teknikker, der kunne bruges til kemisk doping af todimensionelle grafenplader til fremstilling af enheder og sammenkoblinger.

Kemisk doping bruges rutinemæssigt i konventionelle tredimensionelle halvledere til at kontrollere tætheden af ​​elektronbærere, som er afgørende for driften af ​​enheder såsom transistorer. Men grafen, et halvmetal tilgængeligt i plader med kun et atom tykt, har egenskaber, der er meget forskellige fra traditionelle materialer som silicium - selvom forskere siger, at doping stadig vil være nødvendig for at producere elektroniske enheder.

Den dårlige nyhed er, at elektroniske designere, der arbejder med grafen, ikke vil være i stand til blot at anvende, hvad de har gjort med tredimensionelle halvledere - hvilket ville oversætte til stærkt forringet materialekvalitet for grafen. Den gode nyhed, ifølge undersøgelsen, er, at grafendoping kan kombineres med andre processer - og kun skal anvendes på kanterne af strukturer i nanoskala, der fremstilles.

"Vi lærer at manipulere disse todimensionale ark med carbonatomer for at få nogle meget usædvanlige resultater, der ikke er tilgængelige med andet materiale, ”Sagde James Meindl, direktør for Georgia Tech's Nanotechnology Research Center, hvor forskningen blev foretaget. "Doping af grafen for at prøve at påvirke dets egenskaber er vigtigt for at kunne bruge det effektivt."

Detaljer om forskningen blev offentliggjort online i tidsskriftet Kulstof den 29. oktober. Forskningen blev støttet af Semiconductor Research Corporation (SRC), Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) gennem Interconnect Focus Center, og National Science Foundation (NSF).

Fordi grafenplader indeholder så få atomer efter område, substitutionen af ​​grundstoffer som oxygen eller nitrogen i stedet for kulstofatomer i gitteret – som ved konventionel doping – forringer den høje elektronmobilitet og andre egenskaber, der gør materialet interessant. Så forskerne gentænker dopingprocessen for at drage fordel af grafens unikke egenskaber.

"Når vi arbejder med en tredimensionel halvleder, vi integrerer dopningsmaterialet i massematerialet og fremstiller det derefter til en enhed, ”Sagde Kevin Brenner, en uddannet forskningsassistent ved Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering. "Med grafen, vi vil dope materialet, mens vi behandler det og fremstille det til enheder eller sammenkoblinger. Doping kan udføres som en del af andre fremstillingstrin, såsom plasmaætsning, og det vil kræve, at vi genopfinder hele processen. ”

Ved at bruge ark af eksfolieret grafen, Brenner og samarbejdspartnere Raghu Murali og Yinxiao Yang evaluerede effektiviteten af ​​to forskellige teknikker:kantpassivering ved at koble elektronstrålelitografi med et almindeligt resistmateriale, og adsorption fra belægning af overfladen af ​​materialet. De fandt ud af, at kantbehandlingen, som kemisk reagerer med defekter, der opstår, når materialet skæres, var tusinde gange mere effektiv til at producere bærere i grafenarkene end overfladebehandlingen.

"Vi arbejder kun med materialets kanter, ” forklarede Brenner. ”Det vil give os mulighed for at forlade midten uberørt og fri for defekter. Ved at bruge denne tilgang, vi kan opretholde meget høje mobiliteter og grafens særlige egenskaber, samtidig med at vi skaber meget høje bærertætheder."

På grund af den todimensionelle karakter af grafen, styring af kantkemien kan give kontrol over arkets bulkegenskaber. "I nanoskala dimensioner, kantatomerne har en tendens til at dominere over overfladeabsorptionsteknikker, " tilføjede han. "Med en syv nanometer gange syv nanometer grafenenhed, passivering af kun et kant C-atom giver dopingækvivalenten til at dække hele overfladen. ”

Til doping af kanten af ​​en grafenstruktur, holdet påførte en tynd film af hydrogensilsesquioxan (HSQ), et kemikalie, der normalt bruges som resist til ætsning, brugte derefter elektronstråle litografi til at tværbinde materialet, som tilføjede iltatomer til kanterne for at skabe p-type doping. Resist- og elektronstrålesystemet kombineret for at give nanometer-skala kontrol over, hvor de kemiske ændringer fandt sted.

Dopingbehandling kan også anvendes ved hjælp af plasma -ætsning, Sagde Brenner. Styring af de specifikke atomer, der bruges i plasmaet, eller udføre ætsningsprocessen i et miljø, der indeholder specifikke atomer, kunne drive disse atomer ind i kanterne, hvor de ville tjene som dopingmidler.

"Når som helst du opretter en kant, du har oprettet et sted, hvor du kan passivere ved hjælp af et dopingmiddel, ”Tilføjede han. "I stedet for at skulle indlejre det i overfladen, du kan bare tage kanten, der allerede er der og passivere den med ilt, nitrogen, brint eller andet dopingmiddel. Det kan næsten være en ubesværet proces, fordi doping kan gøres som en del af et andet trin. ”

Ud over at fremstille elektroniske enheder, Forskere fra Nanoteknologi Research Center er interesserede i at bruge grafen til sammenkoblinger, muligvis som erstatning for kobber. Efterhånden som sammenkoblingsstrukturer bliver mindre og mindre, kobberens resistivitet stiger. Kantdopede grafenark udviser en tendens til stigende doping med reducerede dimensioner, muligvis bliver mere ledende, da deres størrelse krymper under 50 nanometer, gør dem attraktive for nanoskala -forbindelser.

Bevæbnet med grundlæggende information om grafendoping, forskerne håber nu at kunne begynde at producere enheder til at studere, hvordan grafen faktisk fungerer.

"Nu hvor vi er begyndt at forstå, hvordan man doserer materialet, det næste skridt er at begynde at sætte dette i nanoskala-enheder, ”Sagde Brenner. ”Vi vil se, hvilken form for præstation vi kan få. Det kan fortælle os, hvor grafens niche kunne være som et elektronisk materiale. ”

Meindl, der har arbejdet med silicium siden begyndelsen af ​​integrerede kredsløb, siger, at det er for tidligt at forudsige, hvor grafen i sidste ende vil finde kommercielle anvendelser. Men han siger, at materialets egenskaber er for interessante til ikke at udforske.

"Chancerne er, at noget meget interessant og unikt vil udvikle sig fra brugen af ​​grafen, Sagde han. "Men vi har endnu ikke mulighed for at forudsige, hvad vi vil kunne gøre med dette nye materiale."