Ny undersøgelse giver indsigt i grafen korngrænser

(Phys.org) – Brug af grafen – enten som et alternativ til, eller højst sandsynligt som et komplementært materiale med – silicium, giver løfte om meget hurtigere fremtidig elektronik, sammen med flere andre fordele i forhold til den almindeligt anvendte halvleder. Imidlertid, Det har vist sig vanskeligt at skabe de ét-atom tykke plader af kulstof kendt som grafen på en måde, der let kunne integreres i masseproduktionsmetoder.

Når der vokser grafen, gitter af kulstofkornene dannes tilfældigt, forbundet med forskellige orienteringsvinkler i et sekskantet netværk. Imidlertid, når disse retningslinjer bliver fejljusteret under vækstprocessen, defekter kaldet korngrænser (GBs) dannes. Disse grænser spreder strømmen af ​​elektroner i grafen, en kendsgerning, der er skadelig for dens vellykkede elektroniske ydeevne.

Forskerne Joe Lyding og Eric Pop fra University of Illinois' Beckman Institute og deres forskergrupper har nu givet ny indsigt i elektronikadfærden af ​​grafen med korngrænser, der kan guide fremstillingsmetoder mod at mindske deres effekt. Forskerne dyrkede polykrystallinsk grafen ved kemisk dampaflejring (CVD), ved hjælp af scanningstunnelmikroskopi og spektroskopi til analyse, at undersøge i atomskala korngrænser på en siliciumwafer. De rapporterede deres resultater i journalen ACS Nano .

"Vi indhentede oplysninger om elektronspredning ved grænserne, der viser, at det signifikant begrænser den elektroniske ydeevne i forhold til korngrænsefrit grafen, " sagde Lyding. "Korngrænser dannes under grafenvækst ved CVD, og, mens der er en stor verdensomspændende indsats for at minimere forekomsten af ​​korngrænser, de er et faktum i livet for nu.

"For elektronik vil du gerne være i stand til at lave det på en wafer-skala. Grænsefri grafen er et nøglemål. I mellemtiden må vi leve med korngrænserne, så at forstå dem er det, vi forsøger at gøre."

Lyding sammenlignede grafengitter fremstillet med CVD -metoden med stykker af et cyklonhegn.

"Hvis du havde to stykker hegn, og du lagde dem på jorden ved siden af ​​hinanden, men de var ikke helt på linje, så ville de ikke matche, sagde han. Det er en korngrænse, hvor gitteret ikke matcher."

Forskningen involverede Pops gruppe, ledet af Beckman Fellow Josh Wood, dyrkning af grafen på Micro and Nanotechnology Lab, og overførsel af de tynde film til en silicium (Si02) skive. De brugte derefter STM hos Beckman udviklet af Lyding til analyse, ledet af førsteforfatter Justin Koepke fra Lydings gruppe.

Deres analyse viste, at når elektronernes rejseplan bringer dem til en korngrænse, det er ligesom, Lyding sagde, rammer en bakke.

"Elektronerne ramte denne bakke, de preller af, de forstyrrer sig selv, og du ser faktisk et stående bølgemønster, "sagde han." Det er en barriere, så de skal op og over den bakke. Som alt andet, det vil bremse dem. Det var det, Justin kunne måle med disse spektroskopimålinger.

"Grundlæggende er en korngrænse en modstand i serie med en leder. Det er altid dårligt. Det betyder, at det vil tage længere tid for en elektron at komme fra punkt A til punkt B med en eller anden spænding påført."

Billeder fra STM afslører korngrænser, der antyder to stykker stof syet sammen, Lyding sagde, af "en rigtig dårlig skrædder".

I avisen, forskerne var i stand til at rapportere om deres analyse af orienteringsvinklerne mellem stykker grafen, mens de voksede sammen, og fandt "ingen præferenceorienteringsvinkel mellem korn, og GB'erne er kontinuerlige på tværs af grafenrynker og Si02-topografi." De rapporterede, at analyse af disse mønstre "indikerer, at tilbagespredning og intervaley-spredning er de dominerende mekanismer, der er ansvarlige for mobilitetsreduktionen i tilstedeværelsen af ​​GB'er i CVD-dyrket grafen."

Lyding sagde, at forholdet mellem orienteringsvinklen for stykkerne af grafen og bølgelængden af ​​en elektron påvirker elektronens bevægelse ved korngrænsen, hvilket fører til variationer i deres spredning.

"Mere spredning betyder, at det gør det sværere for en elektron at bevæge sig fra det ene korn til det næste, sagde han. Jo sværere du gør det, jo lavere kvalitet er den elektroniske ydeevne for enhver enhed, der er fremstillet af den grafen. "

Forskernes arbejde er ikke kun rettet mod at forstå, men også til at kontrollere korngrænser. En af deres fund - at GB'er er aperiodiske - replikerede andet arbejde og kunne have konsekvenser for at kontrollere dem, som de skrev i papiret:"Kombinering af de spektroskopiske og spredningsresultater tyder på, at GB'er, der er mere periodiske og velordnede, fører til reduceret spredning fra GB'erne."

"Jeg tror, ​​at hvis du skal leve med korngrænser, vil du gerne være i stand til at kontrollere præcis, hvad deres orientering er og vælge en vinkel, der minimerer spredningen, "Sagde Lyding.