Halvledende grafen:Fremstilling på mønstret siliciumcarbid producerer båndgab for at fremme grafenelektronik

Ved at fremstille grafenstrukturer på nanometerskala "trin" ætset ind i siliciumcarbid, forskere har for første gang skabt et betydeligt elektronisk båndgab i materialet, der er egnet til stuetemperaturelektronik. Brug af nanoskala topografi til at kontrollere egenskaberne af grafen kunne lette fremstillingen af ​​transistorer og andre enheder, potentielt åbne døren for udvikling af alle-kulstof integrerede kredsløb.

Forskere har målt et båndgab på cirka 0,5 elektron-volt i 1,4 nanometer bøjede sektioner af grafen nanobånd. Udviklingen kunne give ny retning til feltet af grafenelektronik, som har kæmpet med udfordringen med at skabe båndgab, der er nødvendig for drift af elektroniske enheder.

"Dette er en ny måde at tænke på, hvordan man laver højhastighedsgrafenelektronik, " sagde Edward Conrad, en professor ved School of Physics ved Georgia Institute of Technology. "Vi kan nu se seriøst på at lave hurtige transistorer af grafen. Og fordi vores proces er skalerbar, hvis vi kan lave en transistor, vi kan potentielt tjene millioner af dem."

Resultaterne var planlagt til at blive rapporteret den 18. november i tidsskriftet Naturfysik . Forskningen, udført på Georgia Institute of Technology i Atlanta og på SOLEIL, det franske nationale synkrotronanlæg, er blevet støttet af National Science Foundation' Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) ved Georgia Tech, W.M. Keck Foundation og Partner University Fund fra den franske ambassade.

Forskere forstår endnu ikke, hvorfor grafen nanobånd bliver halvledende, når de bøjes for at gå ind i små trin - omkring 20 nanometer dybe - der skæres ind i siliciumcarbidskiverne. Men forskerne mener, at belastning induceret, når kulstofgitteret bøjes, sammen med indespærring af elektroner, kan være faktorer, der skaber båndgabet. Nanobåndene er sammensat af to lag grafen.

Produktionen af ​​de halvledende grafenstrukturer begynder med brugen af ​​e-bjælker til at skære skyttegrave i siliciumcarbidskiver, som normalt poleres for at skabe en flad overflade til vækst af epitaksial grafen. Ved at bruge en højtemperaturovn, titusindvis af grafenbånd bliver så dyrket på tværs af trinene, ved hjælp af fotolitografi.

Under væksten, de skarpe kanter af "løbegrave" skåret ind i siliciumcarbiden bliver glattere, efterhånden som materialet forsøger at genvinde sin flade overflade. Væksttiden skal derfor kontrolleres nøje for at forhindre, at de smalle siliciumcarbidtræk smelter for meget.

Grafenfremstillingen skal også styres i en bestemt retning, så kulstofatomgitteret vokser ind i trinene langs materialets "lænestols"-retning. "Det er som at prøve at bøje en længde af kædehegn, "Forklarede Conrad. "Den vil kun bøje én vej."

Den nye teknik tillader ikke kun at skabe et båndgab i materialet, men potentielt også fremstilling af hele integrerede kredsløb fra grafen uden behov for grænseflader, der introducerer modstand. På hver side af den halvledende sektion af grafen, nanobåndene bevarer deres metalliske egenskaber.

"Vi kan lave tusindvis af disse skyttegrave, og vi kan lave dem hvor som helst vi vil på oblaten, " sagde Conrad. "Dette er mere end bare halvledende grafen. Materialet ved bøjningerne er halvledende, og det er fastgjort til grafen kontinuerligt på begge sider. Det er dybest set et Shottky-barrierekryds."

Ved at dyrke grafen ned ad den ene kant af skyttegraven og derefter op på den anden side, forskerne kunne i teorien producere to forbundne Shottky-barrierer – en grundlæggende komponent i halvlederenheder. Conrad og hans kolleger arbejder nu på at fremstille transistorer baseret på deres opdagelse.

Bekræftelse af båndgabet kom fra vinkelopløste fotoemissionsspektroskopimålinger foretaget ved Synchrotron CNRS i Frankrig. der, forskerne affyrede kraftige fotonstråler ind i rækker af grafen nanobånd og målte de udsendte elektroner.

"Du kan måle energien af ​​de elektroner, der kommer ud, og du kan måle den retning, hvorfra de kommer ud, sagde Conrad. Ud fra den information, du kan arbejde baglæns for at få information om den elektroniske struktur af nanobåndene."

Teoretikere havde forudsagt, at bøjning af grafen ville skabe et båndgab i materialet. Men båndgabet målt af forskerholdet var større end det, der var blevet forudsagt.

Ud over at bygge transistorer og andre enheder, i det fremtidige arbejde vil forskerne forsøge at lære mere om, hvad der skaber båndgabet – og hvordan man kan kontrollere det. Egenskaben kan styres af vinklen af ​​bøjningen i grafen nanobåndet, som kan styres ved at ændre trinets dybde.

"Hvis du prøver at lægge et tæppe over en lille ufuldkommenhed i gulvet, tæppet vil gå over det, og du ved måske ikke engang, at ufuldkommenheden er der, " Forklarede Conrad. "Men hvis du går over et trin, du kan fortælle. Der er sandsynligvis en række højder, hvor vi kan påvirke svinget."

Han forudser, at opdagelsen vil skabe ny aktivitet, da andre grafenforskere forsøger at udnytte resultaterne.

"Hvis du kan demonstrere en hurtig enhed, mange mennesker vil være interesserede i dette, " sagde Conrad. "Hvis dette virker i stor skala, det kunne lancere et nichemarked for højhastigheds højtydende elektroniske enheder."