Undersøgelse kaster lys over miljømæssige grafen-interaktioner

Interaktionerne mellem grafen og dets miljø har en betydelig indflydelse på brugen af ​​dette lovende materiale i halvlederindustrien. Takket være de omfattende resultater af et internationalt forskningsprojekt, disse interaktioner er nu bedre forstået og kan kontrolleres som et resultat.

Grafen er et atom-tyndt lag af kulstof. Takket være dets unikke strukturelle og elektroniske egenskaber, materialet har et enormt potentiale og er i fokus for høje forventninger – dog konkrete anvendelser og anvendelser mangler endnu at blive realiseret. Som det så ofte er tilfældet, når det kommer til bæredygtig anvendelse, djævelen er i detaljerne. Et projekt finansieret af den østrigske videnskabsfond FWF har formået at få styr på nogle af disse detaljer.

Målretning af halvledere

"Individuelle komponenter baseret på grafen har allerede fremragende egenskaber, " forklarer projektleder Thomas Pichler fra afdelingen for elektroniske materialers egenskaber ved universitetet i Wien. "Men, det store gennembrud i dens anvendelse som en integreret elektronisk komponent er endnu ikke kommet. Det har simpelthen ikke været muligt at bruge dette materiale til etableret halvlederteknologi på en måde, der pålideligt kan replikeres." En af de største forhindringer er manglen på kontrol af grafen-interaktioner med dets miljø på atomniveau. Som følge heraf, det har været næsten umuligt at implementere materialet på en forudsigelig og målrettet måde. Selv interaktionen mellem grafen og substratet, hvorpå det skal påføres på grund af dets ekstreme tyndhed, blev kun delvist forstået. Pichler og hans forskerhold har nu bestemt arten af ​​denne interaktion.

Si med ladning

Holdet havde også straks succes med at få nogle overraskende nye indsigter. "Vi var i stand til at demonstrere en sammenhæng mellem ladningsoverførsel - skift af elektroner - og mekanisk belastning i grafen for første gang, " siger Pichler. "Denne observation kunne være af stor praktisk betydning, da det betyder, at den fuldstændig kontaktløse måling af intern belastning i grafen-baserede komponenter kan være mulig i fremtiden."

Holdet opnåede også betydelige succeser i den målrettede kontrol af miljøet af grafen. Inden for projektets rammer, det var muligt at kontrollere grænsefladen mellem grafen og traditionelle halvledere som germanium på atomniveau for første gang. Mange ser dette som et vigtigt skridt hen imod at gøre grafen-baserede nanoelektroniske komponenter anvendelige til halvlederteknologi.

Succes med metode

Afgørende for samarbejdsprojektets succes var dets optimale kombination og implementering af to processer. Pichler og hans team brugte de allernyeste spektroskopiske måleteknikker og supplerede dem med såkaldte ab-initio-beregninger, som blev udført af et team ledet af Ludger Wirtz fra Institute for Electronics, Mikroelektronik og nanoteknologi ved universitetet i Lille.

Omfattende prøver

Projektet lykkedes med at producere omfattende prøver af elektronisk isoleret grafen. Dette gav et optimalt udgangsmateriale til det eksperimentelle arbejde. "Derefter manipulerede vi bevidst den elektroniske struktur af grafen, " siger Pichler, forklare den tilgang, som projektet har valgt. "At gøre dette, for eksempel, vi erstattede visse atomer i grafensubstratet med brint- eller nitrogenatomer og målte virkningen af ​​denne substitution på grafenen." En anden tilgang, som Pichler og hans team brugte, involverede en metode kendt som interkalation. Med denne metode, vaffeltynde lag af kalium, lithium eller barium indsættes mellem grafenen og substratet, og den resulterende påvirkning af grafenen karakteriseres.

Disse trin banede vejen for mange andre fremskridt som følge af FWF-projektet, som stadig er nødvendige for at muliggøre omfattende brug af mirakelmaterialet grafen. Mange udfordringer mangler at blive overvundet, før en "mirakelarbejder" som grafen kan bruges i praksis. Grundforskning vil spille en nøglerolle i at overvinde disse udfordringer.