Fine mønstre, der kombinerer enkelt-atom-tykt grafen, bornitrid peger mod 2-D elektroniske enheder

Forskere fra Rice University har taget et vigtigt skridt i retning af skabelsen af ​​todimensionel elektronik med en proces til at lave mønstre i atom-tykke lag, der kombinerer en leder og en isolator.

Materialerne i spil - grafen og sekskantet bornitrid - er blevet fusioneret til plader og indbygget i en række forskellige mønstre i nanoskala dimensioner.

Rice introducerede en teknik til at sy de identisk strukturerede materialer sammen for næsten tre år siden. Siden da, idéen har fået meget opmærksomhed fra forskere, der er interesserede i udsigten til at bygge 2-D, atomlagskredsløb, sagde Rice materiale videnskabsmand Pulickel Ajayan. Han er en af ​​forfatterne til det nye værk, der vises i denne uge i Naturnanoteknologi . I særdeleshed, Ajayan bemærkede, at forskere fra Cornell University rapporterede et fremskridt i slutningen af ​​sidste år på kunsten at lave heterostrukturer i atomlag gennem sekventielle vækstordninger.

Denne uges bidrag fra Rice giver producenterne mulighed for at krympe elektroniske enheder til endnu mindre pakker. Mens Rice's tekniske muligheder begrænsede funktioner til en opløsning på omkring 100 nanometer, de eneste reelle grænser er dem, der er defineret af moderne litografiske teknikker, ifølge forskerne. (Et nanometer er en milliarddel af en meter.)

"Det bør være muligt at lave fuldt funktionelle enheder med kredsløb 30, endda 20 nanometer bred, alt i to dimensioner, "sagde risforsker Jun Lou, medforfatter til det nye blad. Det ville lave kredsløb i omtrent samme skala som i den nuværende halvlederfabrikation, han sagde.

Graphene er blevet udråbt som et vidundermateriale siden dets opdagelse i det sidste årti. Selv på et atom tykt, den sekskantede række af kulstofatomer har bevist sit potentiale som et fascinerende elektronisk materiale. Men for at bygge en fungerende enhed, ledere alene vil ikke gøre. Grafenbaseret elektronik kræver lignende, kompatible 2-D materialer til andre komponenter, og forskere har fundet, at sekskantet bornitrid (h-BN) fungerer fint som en isolator.

H-BN ligner grafen, med det samme kyllingetråds atomarray. Det tidligere arbejde med Rice viste, at fusion af grafen og h-BN via kemisk dampaflejring (CVD) skabte ark med puljer af de to, der gav en vis kontrol over materialets elektroniske egenskaber. Ajayan sagde dengang, at skabelsen tilbød "en fantastisk legeplads for materialeforskere."

Han har siden konkluderet, at området for todimensionelle materialer ud over grafen "er vokset betydeligt og vil spille ud som et af de vigtigste spændende materialer i den nærmeste fremtid."

Hans forudsigelse bærer frugt i det nye værk, hvor fint detaljerede mønstre af grafen er snøret ind i huller skabt i ark af h-BN. kamme, barer, koncentriske ringe og endda mikroskopiske risugler blev lagt ned gennem en litografisk proces. Grænsefladen mellem elementer, ses tydeligt i scanningstransmissionselektronmikroskopbilleder taget ved Oak Ridge National Laboratories, viser en knivskarp overgang fra grafen til h-BN langs en subnanometerlinje.

"Dette er ikke en simpel dyne, "Sagde Lou." Det er meget præcist konstrueret. Vi kan kontrollere domænestørrelserne og domæneformerne, begge er nødvendige for at lave elektroniske enheder. "

Den nye teknik begyndte også med CVD. Hovedforfatter Zheng Liu, en risforsker, og hans kolleger lagde først et ark af h-BN. Laserskårne fotoresistente masker blev placeret over h-BN, og udsat materiale blev ætset væk med argongas. (Et fokuseret ionstrålesystem blev senere brugt til at skabe endnu finere mønstre, ned til 100-nanometer opløsning, uden masker.) Efter at maskerne var vasket væk, grafen blev dyrket via CVD i de åbne rum, hvor det bundede kant-til-kant med h-BN. Hybridlaget kunne derefter opsamles og placeres på et hvilket som helst substrat.

Selvom der er meget arbejde forude med at karakterisere de atomiske bindinger, hvor grafen og h-BN-domæner mødes og analysere potentielle defekter langs grænserne, Lius elektriske målinger viste, at komponenternes kvaliteter forbliver intakte.

"En vigtig ting, Zheng viste, er, at selv ved at dyrke alle former for vækst, derefter ætsning, derefter genvækst, disse to materialers iboende egenskaber påvirkes ikke, "Sagde Lou." Isolatorer forbliver isolatorer; de er ikke dopet af kulstoffet. Og grafen ser stadig meget godt ud. Det er vigtigt, fordi vi vil være sikre på, at det, vi vokser, er præcis, hvad vi vil. "

Liu sagde, at næste skridt er at placere et tredje element, en halvleder, ind i 2-D-stoffet. "Vi forsøger meget at integrere dette i platformen, " sagde han. "Hvis vi kan gøre det, vi kan bygge ægte integrerede enheder i flyet." Det ville give nye muligheder for producenter, der leger med ideen om fleksibel elektronik, han sagde.

"Bidraget i dette papir er at demonstrere den generelle proces, " tilføjede Lou. "Den er robust, det kan gentages, og det skaber materialer med meget flotte egenskaber og med dimensioner, der er på grænsen til, hvad der er muligt. "