Én retning:Forskere dyrker nanokredsløb med halvledende grafen nanobånd

I en udvikling, der kunne revolutionere elektronisk kredsløb, et forskerhold fra University of Wisconsin i Madison (UW) og det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory har bekræftet en ny måde at kontrollere vækstvejene for grafen-nanobånd på overfladen af ​​en germainum-krystal.

Germanium er en halvleder, og denne metode giver en ligetil måde at lave halvledende kredsløb på nanoskala fra grafen, en form for kulstof kun et atom tykt.

Metoden blev opdaget af UW-forskere og bekræftet i test i Argonne.

"Nogle forskere har ønsket at lave transistorer ud af carbon nanorør, men problemet er, at de vokser i alle mulige retninger, " sagde Brian Kiraly fra Argonne. "Innovationen her er, at du kan dyrke disse langs kredsløbsstier, der fungerer for din teknologi."

UW-forskere brugte kemisk dampaflejring til at dyrke grafen nanobånd på germaniumkrystaller. Denne teknik flyder en blanding af metan, brint og argongasser ind i en rørovn. Ved høje temperaturer, metan nedbrydes til kulstofatomer, der sætter sig på germaniumets overflade og danner en ensartet grafenplade. Ved at justere kammerets indstillinger, UW-holdet var i stand til at udøve meget præcis kontrol over materialet.

"Det, vi har opdaget, er, at når grafen vokser på germanium, det danner naturligvis nanoribbons med disse meget glatte, lænestolskanter, sagde Michael Arnold, en lektor i materialevidenskab og teknik ved UW-Madison. "Bredderne kan være meget, meget smal og båndets længder kan være meget lange, så alle de ønskværdige funktioner, vi ønsker i grafen nanobånd, sker automatisk med denne teknik."

grafen, et atom-tykt, todimensionelt ark af carbonatomer, er kendt for at flytte elektroner med lynets hastighed hen over dens overflade uden interferens. Denne høje mobilitet gør materialet til en ideel kandidat til hurtigere, mere energieffektiv elektronik.

Imidlertid, halvlederindustrien ønsker at få kredsløb til at starte og stoppe elektroner efter behag via båndgab, som de gør i computerchips. Som en semimetall, grafen har naturligvis ingen båndgab, gør det til en udfordring for udbredt industriadoption. Indtil nu.

For at bekræfte disse resultater, UW -forskere gik til Argonne -personaleforskere Brian Kiraly og Nathan Guisinger i Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science brugerfacilitet beliggende i Argonne.

"Vi har nogle meget unikke muligheder her på Center for nanoskala materialer, " sagde Guisinger. "Ikke kun er vores faciliteter designet til at arbejde med alle forskellige slags materialer fra metaller til oxider, vi kan også karakterisere, dyrke og syntetisere materialer."

Ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi, en teknik, der bruger elektroner (i stedet for lys eller øjnene) til at se en prøves karakteristika, forskere bekræftede tilstedeværelsen af ​​grafen -nanoribber, der vokser på germanium. Data indsamlet fra elektronsignaturerne gjorde det muligt for forskerne at skabe billeder af materialets dimensioner og orientering. Ud over, de var i stand til at bestemme dens båndstruktur og i hvilket omfang elektroner spredte sig gennem materialet.

"Vi kigger på grundlæggende fysiske egenskaber for at bekræfte, at det er, faktisk, grafen og det viser nogle karakteristiske elektroniske egenskaber, " sagde Kiraly. "Hvad der er endnu mere interessant er, at disse nanobånd kan fås til at vokse i bestemte retninger på den ene side af germaniumkrystallen, men ikke de to andre sider."

Til brug i elektroniske enheder, halvlederindustrien er primært interesseret i tre flader af en germaniumkrystal. Afbildning af disse ansigter i form af koordinater (X, Y, Z), hvor enkelte atomer forbindes med hinanden i en diamantlignende gitterstruktur, hver side af en krystal (1, 1, 1) vil have akser, der adskiller sig fra én (1, 1, 0) til den anden (1, 0, 0).

Tidligere forskning viser, at grafenplader kan vokse på germaniumkrystalflader (1, 1, 1) og (1, 1, 0). Imidlertid, dette er første gang nogen undersøgelse har registreret væksten af ​​grafen nanobånd på (1, 0, 0) ansigt.

Mens deres undersøgelser fortsætter, forskere kan nu fokusere deres indsats på præcis, hvorfor selvstyrede grafen-nanoribbons vokser på (1, 0, 0) se og afgøre, om der er nogen unik interaktion mellem germanium og grafen, der kan spille en rolle.