Ny bioinspireret metode til dyrkning af grafen i høj kvalitet til avancerede elektroniske enheder

Et team af forskere fra National University of Singapore (NUS), ledet af professor Loh Kian Ping, der leder Institut for Kemi ved NUS Det Naturvidenskabelige Fakultet, har med succes udviklet en innovativ et-trins metode til at dyrke og overføre grafen af ​​høj kvalitet på silicium og andre stive underlag, åbner muligheder for, at grafen kan bruges i applikationer af høj værdi, der i øjeblikket ikke er teknologisk mulige.

Dette gennembrud, inspireret af hvordan biller og frøer holder deres fødder fastgjort til nedsænkede blade, er den første offentliggjorte teknik, der udfører både vækst- og overførselstrin af grafen på en siliciumskive. Denne teknik muliggør den teknologiske anvendelse af grafen i fotonik og elektronik, til enheder såsom optoelektroniske modulatorer, transistorer, on-chip biosensorer og tunneling barrierer.

Innovationen blev først offentliggjort online i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Natur den 11. december 2013.

Efterspørgsel efter grafen i siliciumbaserede industrier

Graphene har tiltrukket stor opmærksomhed i de seneste år på grund af sin fremragende elektroniske, optiske og mekaniske egenskaber, samt dets anvendelse som gennemsigtige ledende film til berøringsskærmspaneler af elektroder. Imidlertid, produktionen af ​​grafenfilm i wafer i høj kvalitet er præget af mange udfordringer, blandt dem er fraværet af en teknik til at vokse og overføre grafen med minimale defekter til brug i halvlederindustrier.

Sagde prof. Loh, som også er hovedforsker ved Graphene Research Center ved NUS Det Naturvidenskabelige Fakultet, "Selvom der er mange potentielle applikationer til fleksibel grafen, det skal huskes, at til dato, de fleste halvledere opererer på "stive" underlag som silicium og kvarts. "

"Den direkte vækst af grafenfilm på siliciumskive er nyttig til at muliggøre flere optoelektroniske applikationer, men den nuværende forskningsindsats er fortsat funderet på proof-of-concept-stadiet. En overførselsmetode, der betjener dette markedssegment, er bestemt nødvendig, og er blevet negligeret i hypen for fleksible enheder, "Tilføjede professor Loh.

Henter inspiration fra biller og træfrøer

For at løse det nuværende teknologiske hul, NUS -teamet ledet af prof Loh tog deres tegn på, hvordan biller og frøer holder deres fødder fastgjort til fuldt nedsænkede blade, og udviklede en ny proces kaldet "face-to-face transfer".

Dr Gao Libo, den første forfatter til papiret og en forsker ved Graphene Research Center ved NUS Det Naturvidenskabelige Fakultet, voksede grafen på et kobberkatalysatorlag, der belægger et siliciumsubstrat. Efter vækst, kobberet ætses væk, mens grafen holdes på plads af bobler, der danner kapillære broer, ligner dem, der ses omkring fødderne på biller og træfrøer, der er fastgjort til nedsænkede blade. Kapillærbroerne hjælper med at holde grafen på siliciumoverfladen og forhindre dets delaminering under ætsning af kobberkatalysatoren. Derefter fastgøres grafen til siliciumlaget.

For at lette dannelsen af ​​kapillære broer, et forbehandlingstrin, der involverede injektion af gasser i skiven, blev påført af Dr Gao. Dette hjælper med at ændre grænsefladens egenskaber og letter dannelsen af ​​kapillære broer under infiltrationen af ​​en katalysator-fjernende væske. Co-tilsætningen af ​​overfladeaktivt stof hjælper med at stryge eventuelle folder og folder, der kan dannes under overførselsprocessen.

Industrielle applikationer og ny indsigt

Denne nye teknik til dyrkning af grafen direkte på siliciumskiver og andre stive substrater vil være meget nyttig til udvikling af hurtigt nye grafen-på-silicium-platforme, som har vist en lovende række applikationer. Metoden "face-to-face transfer", der er udviklet af NUS-teamet, er også egnet til batchforarbejdede halvlederproduktionslinjer, såsom fremstilling af store integrerede kredsløb på siliciumskiver.

For at fremme deres forskning, Prof Loh og hans team vil optimere processen for at opnå høj produktionskapacitet af grafen med stor diameter på silicium, samt målspecifikke grafenaktiverede applikationer på silicium. Teamet anvender også teknikkerne på andre todimensionelle film. Forhandlinger er nu i gang med potentielle branchepartnere.