Fund af grafen nanobånd kan føre til hurtigere, mere effektiv elektronik

grafen, et atomtykt materiale med ekstraordinære egenskaber, er en lovende kandidat til næste generation af dramatisk hurtigere, mere energieffektiv elektronik. Imidlertid, forskere har kæmpet for at fremstille materialet til ultrasmalle strimler, kaldet nanobånd, der kunne muliggøre brugen af ​​grafen i højtydende halvlederelektronik.

Nu, University of Wisconsin-Madison ingeniører har opdaget en måde at dyrke grafen nanobånd med ønskværdige halvledende egenskaber direkte på en konventionel germanium halvleder wafer. Dette gennembrud kunne give producenterne mulighed for nemt at bruge grafen nanobånd i hybride integrerede kredsløb, som lover at øge ydeevnen af ​​næste generations elektroniske enheder markant. Denne teknologi kan også have specifikke anvendelser i industrielle og militære applikationer, såsom sensorer, der detekterer specifikke kemiske og biologiske arter og fotoniske enheder, der manipulerer lys.

I et papir udgivet 10. august, 2015 i bladet Naturkommunikation , Michael Arnold, en lektor i materialevidenskab og teknik ved UW-Madison, Ph.d.-studerende Robert Jacobberger, og deres samarbejdspartnere beskriver deres nye tilgang til fremstilling af grafen nanobånd. Vigtigt, deres teknik kan nemt skaleres til masseproduktion og er kompatibel med den fremherskende infrastruktur, der bruges i halvlederbehandling.

"Graphene nanobånd, der kan dyrkes direkte på overfladen af ​​en halvleder som germanium, er mere kompatible med planar behandling, der bruges i halvlederindustrien, og så der ville være mindre en hindring for at integrere disse virkelig fremragende materialer i elektronik i fremtiden, siger Arnold.

grafen, et ark af kulstofatomer, der kun er et atom i tykkelse, leder elektricitet og afleder varme meget mere effektivt end silicium, det materiale, der oftest findes i nutidens computerchips. Men for at udnytte grafens bemærkelsesværdige elektroniske egenskaber i halvlederapplikationer, hvor strømmen skal tændes og slukkes, grafen nanobånd skal være mindre end 10 nanometer brede, som er fænomenalt snævert. Ud over, nanobåndene skal have glatte, veldefinerede "lænestol"-kanter, hvor carbon-carbon-bindingerne er parallelle med længden af ​​båndet.

Forskere har typisk fremstillet nanobånd ved at bruge litografiske teknikker til at skære større ark grafen til bånd. Imidlertid, denne "top-down" fremstillingsmetode mangler præcision og producerer nanobånd med meget ru kanter.

En anden strategi til fremstilling af nanobånd er at bruge en "bottom-up" tilgang såsom overfladeassisteret organisk syntese, hvor molekylære prækursorer reagerer på en overflade for at polymerisere nanobånd. Arnold siger, at overfladeassisteret syntese kan producere smukke nanobånd med præcise, glatte kanter, men denne metode virker kun på metalsubstrater, og de resulterende nanobånd er derfor alt for korte til brug i elektronik.

For at overvinde disse forhindringer, UW-Madison-forskerne var pionerer med en bottom-up-teknik, hvor de dyrker ultrasmalle nanobånd med glatte, lige kanter direkte på germanium wafers ved hjælp af en proces kaldet kemisk dampaflejring. I denne proces, forskerne starter med metan, som adsorberer til germaniumoverfladen og nedbrydes til forskellige kulbrinter. Disse kulbrinter reagerer med hinanden på overfladen, hvor de danner grafen.

Arnolds team fik sit gennembrud, da det udforskede dramatisk at bremse væksthastigheden af ​​grafenkrystallerne ved at reducere mængden af ​​metan i det kemiske dampaflejringskammer. De fandt ud af, at med en meget langsom væksthastighed, grafenkrystallerne vokser naturligt til lange nanobånd på en specifik krystalfacet af germanium. Ved blot at kontrollere væksthastigheden og væksttiden, forskerne kan nemt justere nanobåndets bredde til mindre end 10 nanometer.

"Det, vi har opdaget, er, at når grafen vokser på germanium, det danner naturligt nanobånd med disse meget glatte, lænestolskanter, " siger Arnold. "Bredderne kan være meget, meget smal og længderne af båndene kan være meget lange, så alle de ønskværdige funktioner, vi ønsker i grafen nanobånd, sker automatisk med denne teknik."

Nanobåndene fremstillet med denne teknik begynder at danne kerne, eller vokser, på tilsyneladende tilfældige steder på germanium og er orienteret i to forskellige retninger på overfladen. Arnold siger, at teamets fremtidige arbejde vil omfatte at kontrollere, hvor båndene begynder at vokse, og at justere dem alle i samme retning.