Oprettelse af nanobånd i atomskala

Siliciumkrystaller er de halvledere, der oftest bruges til at fremstille transistorer, som er kritiske elektroniske komponenter, der bruges til at udføre logiske operationer i computere. Imidlertid, efterhånden som hurtigere og mere kraftfulde processorer skabes, silicium har nået en ydeevnegrænse:jo hurtigere det leder elektricitet, jo varmere det bliver, fører til overophedning.

grafen, lavet af et enkelt atom-tykt lag af kulstof, forbliver meget køligere og kan lede meget hurtigere, men det skal være i mindre stykker, kaldet nanoribbons, for at fungere som en halvleder. På trods af store fremskridt i fremstillingen og karakteriseringen af ​​nanobånd, Det har været en betydelig udfordring at overføre dem rent til overflader, der bruges til spånfremstilling.

En nylig undersøgelse udført af forskere ved Beckman Institute for Advanced Science and Technology ved University of Illinois og Department of Chemistry ved University of Nebraska-Lincoln har vist det første vigtige skridt mod at integrere atomisk præcise grafen nanobånd (APGNR'er) på ikke-metalliske substrater . Papiret, "Løsningssyntetiserede Chevron Graphene Nanoribbons eksfolieret på H:Si(100), " blev offentliggjort i Nano bogstaver .

Graphene nanoribbons måler kun flere nanometer på tværs, ud over grænserne for konventionel chip top-down mønster, der bruges i spånfremstilling. Som resultat, når det er skåret ud af større stykker grafen ved forskellige nanofabrikationsmetoder, grafen nanobånd er hverken ensartede eller smalle nok til at udvise de ønskede halvlederegenskaber.

"Når du går ovenfra og ned, det er meget svært at få kontrol over bredden. Det viser sig, at hvis bredden modulerer med kun et atom eller to, egenskaberne ændrer sig markant, " sagde Adrian Radocea, en ph.d.-studerende i Beckman's Nanoelectronics and Nanomaterials Group.

Som resultat, nanobåndene skal laves nedefra og op, "fra mindre molekyler til at skabe atomisk præcise nanobånd med meget ensartede elektroniske egenskaber.

"Det er ligesom molekylære byggeklodser:lidt som at knipse lego sammen for at bygge noget, "sagde Radocea." De låser på plads, og du ender med den nøjagtige kontrol over båndbredden."

"bottom-up" tilgangen blev først vist for grafen nanobånd af Cai et al. i et Nature-papir fra 2010, der demonstrerer væksten af ​​atomisk præcise grafen-nanobånd på metalliske substrater. I 2014, forskergruppen af ​​Alexander Sinitskii ved University of Nebraska-Lincoln udviklede en alternativ tilgang til fremstilling af atomisk præcise grafen nanobånd i opløsning.

"Den tidligere demonstrerede syntese på metalliske substrater giver grafen nanobånd af meget høj kvalitet, men deres antal er ret lille, som væksten begrænsede den sig til ædelmetalets overflade, " sagde Sinitskii, lektor i kemi ved University of Nebraska-Lincoln og forfatter til undersøgelsen. "Det er svært at skalere denne syntese op. I modsætning hertil, når nanobånd syntetiseres i det ubegrænsede tredimensionelle løsningsmiljø, de kan produceres i store mængder. "

Vanskeligheden ved rent at overføre nanobånd stammer fra den høje følsomhed over for miljøforurenende stoffer. Både løsningssyntetiserede og overfladedyrkede nanoribbons udsættes for kemikalier under overførselsprocessen, der kan påvirke ydeevnen af ​​grafen-nanoribbon-enheder. For at overkomme denne udfordring, det tværfaglige team brugte en tør transfer i et miljø med ultrahøjt vakuum.

En glasfiberapplikator belagt med grafen-nanobåndpulver blev opvarmet for at fjerne forurenende stoffer og opløsningsmiddelrester og derefter presset på en frisk fremstillet hydrogen-passiveret siliciumoverflade. Nanobåndene blev studeret meget detaljeret med ultra-højvakuum scanning tunneling mikroskop udviklet af Joseph Lyding, professor i elektro- og computerteknik ved Illinois og forfatter til undersøgelsen. Forskerne opnåede billeder i atomskala og elektroniske målinger af grafen nanobåndene, der var afgørende for at bekræfte deres elektroniske egenskaber og forstå substratets indflydelse.

Computational ekspertise tilgængelig hos Beckman, Radocea forklarede, var medvirkende til at forstå de eksperimentelle resultater. "Jeg indsamlede stadig flere data for at finde ud af, hvad der foregik. Da modelleringsresultaterne kom ind, og vi begyndte at se på dataene anderledes, det hele gav mening."

Medlemmer af Beckman's Computational Multiscale Nanosystems Group, Tao Sun, en doktorand, og Narayana Aluru, professor i mekanisk videnskab og teknik, leveret ekspertise inden for beregningsmodellering via densitetsfunktionel teori for at undersøge nanoribbons egenskaber.

"Density funktionelle teoriberegninger gav en dybere forståelse af de elektroniske egenskaber af det integrerede system og interaktionerne mellem grafen nanobånd og siliciumsubstratet, "sagde Sun." Det var spændende, at beregningsresultaterne kunne hjælpe med at forklare og bekræfte de eksperimentelle resultater og gav en sammenhængende historie. "

"Atomisk præcise grafen nanobånd (APGNR'er) er seriøse kandidater til post-silicium-æraen, når konventionel siliciumtransistor-skalering mislykkes, "sagde Lyding." Dette demonstrerer det første vigtige skridt i retning af at integrere APGNR'er med teknologisk relevante siliciumsubstrater. "

"Jeg synes, at projektet er meget spændende, fordi du bygger ting med atomstyring, så du prøver at placere hvert atom præcis, hvor du vil have det til at gå, " sagde Radocea. "Der er ikke mange materialer derude, hvor man kan sige, at man har den evne. Nanobånd er spændende, fordi der er et reelt behov og en reel anvendelse."