Grafen på bornitrid-arbejde kan føre til gennembrud inden for mikrochipteknologi

(Phys.org) -- Grafen er vidundermaterialet, der kunne løse problemet med at lave stadig hurtigere computere og mindre mobile enheder, når den nuværende siliciummikrochipteknologi rammer en uundgåelig mur. grafen, et enkelt lag af kulstofatomer i et stramt sekskantet arrangement, er blevet meget undersøgt på grund af dets utrolige elektroniske egenskaber, med teoretiske hastigheder 100 gange større end silicium. Men det har vist sig svært at sætte materialet i en mikrochip, der kunne overgå den nuværende siliciumteknologi.

Svaret kan ligge i nye nanoskalasystemer baseret på ultratynde lag af materialer med eksotiske egenskaber. Kaldes todimensionelle lagdelte materialer, disse systemer kan være vigtige for mikroelektronik, forskellige typer overfølsomme sensorer, katalyse, vævsteknologi og energilagring. Forskere ved Penn State har anvendt et sådant 2D lagdelt materiale, en kombination af grafen og sekskantet bornitrid, at producere forbedret transistorydelse i en industrielt relevant skala.

"Andre grupper har vist, at grafen på bornitrid kan forbedre ydeevnen to til tre gange, men ikke på en måde, der kunne skaleres op. For første gang, vi har været i stand til at tage dette materiale og anvende det til at lave transistorer i wafer-skala, " sagde Joshua Robinson, assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Penn State og den tilsvarende forfatter på et papir, der rapporterer om deres arbejde i onlineversionen af ​​tidsskriftet ACS Nano .

I artiklen, Penn State-holdet beskriver en metode til at integrere et tyndt lag grafen, der kun er et eller to atomer tykt, med et andet lag hexagonalt bornitrid (hBN) med en tykkelse på nogle få atomer op til flere hundrede atomer. Det resulterende dobbeltlagsmateriale udgør det næste trin i at skabe funktionelle grafenfelteffekttransistorer til højfrekvente elektroniske og optoelektroniske enheder.

Tidligere forskning fra andre grupper har vist, at et almindeligt materiale kaldet hexagonal bornitrid (hBN), en syntetisk blanding af bor og nitrogen, der bruges som et industrielt smøremiddel og findes i mange kosmetik, er en potentiel erstatning for siliciumdioxid og andre højtydende dielektriske stoffer, der ikke har kunnet integreres godt med grafen. Fordi bor sidder ved siden af ​​kulstof i det periodiske system, og sekskantet bornitrid har et lignende arrangement af atomer som grafen, de to materialer passer godt sammen elektronisk. Faktisk, hBN omtales ofte som hvid grafen. At være af mere end akademisk interesse i laboratoriet, imidlertid, hBN-grafen-dobbeltlaget skulle dyrkes i wafer-skala - fra omkring 3 tommer (75 mm) til næsten 12 tommer (300 mm).

Penn State-teamet løste dette problem ved at bruge en tidligere teknik udviklet i deres laboratorium til at producere en uniform, stort område, og højkvalitetslag af epitaksial grafen velegnet til højfrekvente applikationer. Denne "kvasi-fritstående epitaksiale grafen" blev fremstillet ved at fæstne brintatomer til grafenen for at "passivere dinglende bindinger, ” i det væsentlige flad og udglatter grafenfilmen. Det hexagonale bornitrid blev derefter dyrket på et overgangsmetalsubstrat under anvendelse af en kemisk dampaflejringsteknik, som er standard i fremstillingen. hBN blev frigivet fra substratet via en af ​​flere overførselsprocesser og lagt oven på grafenen på en 75 mm wafer, markerer den første integration af epitaksial grafen med hBN i en skala, der er kompatibel med industriens behov.

Bygger på deres tidligere arbejde med epitaksial grafen, som allerede havde øget transistorydelsen med to til tre gange, denne forskning tilføjer en yderligere to-til-tre gange forbedring af ydeevnen og viser det stærke potentiale for at bruge grafen i elektronik, ifølge Robinson. I den nærmeste fremtid, Penn State-holdet håber at demonstrere grafenbaserede integrerede kredsløb og højtydende enheder, der er egnede til fremstilling i industriel skala på 100 mm wafers.

"Vi bruger al standard litografi, hvilket er vigtigt for nanofremstilling, " tilføjede Robinson. For at gøre et indhug i den stærkt konkurrenceprægede mikrochipindustri, et nyt materialesystem skal være kompatibelt med den nuværende forarbejdningsteknologi samt tilbyde et betydeligt ydelsesløft.

Bornitrid-grafen er et af flere kommende todimensionelle lagdelte systemer, hvis nanoskalaegenskaber kun er begyndt at blive opdaget. Dimensionalitet, ifølge nobelprismodtagerne Novoselov og Geim, er en af ​​de mest definerende materialeparametre og kan give anledning til dramatisk forskellige egenskaber alt efter om materialestrukturen er 0-D, 1-D, 2-D eller 3-D. Penn State er blandt pionererne, der bevæger sig ind i, hvad der kan vise sig at være en ny grænse for materialevidenskab.

Ud over Robinson, medforfatterne til ACS Nano-artiklen er Michael Bresnehan, Matthew Hollander, Maxwell Wetherington, Michael LaBella, Kathleen Trumbull, Randal Cavalero, og David Snyder, hele Penn State. Arbejdet blev støttet af Naval Surface Warfare Center Crane, og instrumenteringsstøtte blev leveret af National Nanotechnology Infrastructure Network i Penn State.