Ny teknik integrerer grafen, grafenoxid og reduceret grafenoxid på siliciumchips ved stuetemperatur

Materialeforskere ved North Carolina State University har udviklet en teknik, der giver dem mulighed for at integrere grafen, grafenoxid (GO) og reduceret grafenoxid (rGO) på siliciumsubstrater ved stuetemperatur ved at bruge nanosekund pulseret laserudglødning. Fremskridtet øger muligheden for at skabe nye elektroniske enheder, og forskerne planlægger allerede at bruge teknikken til at skabe smarte biomedicinske sensorer.

I den nye teknik, forskere starter med et siliciumsubstrat. De topper det med et lag enkeltkrystal titaniumnitrid, anvendelse af domænematchende epitaksi for at sikre, at den krystallinske struktur af titaniumnitridet er på linje med siliciumets struktur. Forskere lægger derefter et lag kobber-carbon (Cu-2.0atomic procent C) legering oven på titannitrid, igen ved at bruge domænematchende epitaksi. Endelig, forskerne smelter overfladen af ​​legeringen med nanosekund laserimpulser, som trækker kulstof til overfladen.

Hvis processen udføres i et vakuum, carbonformen på overfladen som grafen; hvis det sker i ilt, det danner GO; og hvis det udføres i en fugtig atmosfære efterfulgt af et vakuum, det dannes som rGO. I alle tre tilfælde, kulets krystallinske struktur er på linje med den underliggende kobber-carbonlegering.

"Vi kan kontrollere, om kulstoffet danner et eller to monolag på overfladen af ​​materialet ved at manipulere laserens intensitet og dybden af ​​smeltningen, " siger Jay Narayan, John C. Fan Distinguished Chair Professor i Materials Science and Engineering ved NC State og seniorforfatter til et papir, der beskriver arbejdet.

"Processen kan let skaleres op, " siger Narayan. "Vi har lavet oblater, der er to tommer kvadratiske, og kunne let gøre dem meget større, ved hjælp af lasere med højere Hertz. Og det hele gøres ved stuetemperatur, hvilket presser omkostningerne ned."

Grafen er en fremragende leder, men den kan ikke bruges som halvleder. Imidlertid, rGO er et halvledermateriale, som kan bruges til at lave elektroniske enheder såsom integrerede smarte sensorer og optisk-elektroniske enheder.

"Vi har allerede patenteret teknikken og planlægger at bruge den til at udvikle smarte biomedicinske sensorer integreret med computerchips, " siger Narayan.

Papiret, "Wafer Scale Integration af reduceret grafenoxid ved ny laserbehandling ved stuetemperatur i luft, "blev offentliggjort den 9. september i Journal of Applied Physics .