Forskere stryger rynker af grafen

Fra et elektrons synspunkt, grafen må være en hårrejsende spændingstur. Årevis, Forskere har observeret, at elektroner kan blæse gennem grafen ved hastigheder, der nærmer sig lysets hastighed, langt hurtigere, end de kan rejse gennem silicium og andre halvledende materialer.

grafen, derfor, er blevet udråbt som en lovende efterfølger til silicium, med potentiale til at muliggøre hurtigere, mere effektive elektroniske og fotoniske enheder.

Men fremstilling af uberørt grafen - en enkelt, helt fladt, ultratynd plade af kulstofatomer, præcist justeret og kædet sammen som kyllingetråd – er ekstremt vanskeligt. Konventionelle fremstillingsprocesser genererer ofte rynker, som kan afspore en elektrons kugletogsrejse, begrænser grafens elektriske ydeevne betydeligt.

Nu har ingeniører ved MIT fundet en måde at lave grafen med færre rynker, og at stryge de rynker, der opstår. Efter at have fremstillet og derefter fladt ud grafenen, forskerne testede dens elektriske ledningsevne. De fandt, at hver wafer udviste ensartet ydeevne, hvilket betyder, at elektroner flød frit hen over hver wafer, ved lignende hastigheder, selv på tværs af tidligere rynkede områder.

I et papir offentliggjort i dag i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskerne rapporterer, at deres teknikker med succes producerer wafer-skala, "enkelt-domæne" grafen - enkelte lag af grafen, der er ensartede i både atomarrangement og elektronisk ydeevne.

"For at grafen skal spille som et primært halvledermateriale til industrien, det skal være et enkelt domæne, så hvis du laver millioner af enheder på den, enhedernes ydeevne er den samme overalt, " siger Jeehwan Kim, klassen af ​​1947 Karriereudvikling Adjunkt i afdelingerne for Mekanisk Teknik og Materialevidenskab og Teknik ved MIT. "Nu kan vi virkelig producere enkelt-domæne grafen i wafer-skala."

Kims medforfattere inkluderer Sanghoon Bae, Samuel Cruz, og Yunjo Kim fra MIT, sammen med forskere fra IBM, University of California i Los Angeles, og Kyungpook National University i Sydkorea.

Et patchwork af rynker

Den mest almindelige måde at fremstille grafen på involverer kemisk dampaflejring, eller CVD, en proces, hvor carbonatomer aflejres på et krystallinsk substrat såsom kobberfolie. Når først kobberfolien er jævnt belagt med et enkelt lag carbonatomer, videnskabsmænd nedsænker det hele i syre for at ætse kobberet væk. Tilbage er et enkelt ark grafen, som forskere så trækker ud af syren.

CVD-processen kan producere relativt store, makroskopiske rynker i grafen, på grund af selve det underliggende kobbers ruhed og processen med at trække grafenen ud af syren. Indstillingen af ​​kulstofatomer er ikke ensartet på tværs af grafen, skabe en "polykrystallinsk" tilstand, hvor grafen ligner en ujævn, patchwork terræn, forhindrer elektroner i at strømme med ensartede hastigheder.

I 2013 mens du arbejdede hos IBM, Kim og hans kolleger udviklede en metode til at fremstille wafers af enkeltkrystallinsk grafen, hvor orienteringen af ​​carbonatomer er nøjagtig den samme i hele en wafer.

I stedet for at bruge CVD, hans team producerede enkeltkrystallinsk grafen fra en siliciumcarbidwafer med en atomisk glat overflade, omend med lille, trinlignende rynker i størrelsesordenen adskillige nanometer. De brugte derefter en tynd plade nikkel til at pille den øverste grafen af ​​fra siliciumcarbidwaferen, i en proces kaldet lagopløst grafenoverførsel.

Strygeudgifter

I deres nye avis, Kim og hans kolleger opdagede, at den lagopløste grafenoverførsel stryger trinene og de små rynker i siliciumcarbid-fremstillet grafen. Før du overfører laget af grafen til en siliciumwafer, holdet oxiderede silicium, skabe et lag af siliciumdioxid, der naturligt udviser elektrostatiske ladninger. Da forskerne så deponerede grafen, siliciumdioxiden trak effektivt grafens kulstofatomer ned på waferen, flad dens trin og rynker ud.

Kim siger, at denne strygemetode ikke ville fungere på CVD-fremstillet grafen, da rynkerne genereret gennem CVD er meget større, i størrelsesordenen flere mikrometer.

"CVD-processen skaber rynker, der er for høje til at blive stryget ud, " bemærker Kim. "Til siliciumcarbidgrafen, rynkerne er kun et par nanometer høje, kort nok til at blive fladt ud."

For at teste om det fladtrykte, enkelt-krystallinske grafen wafers var enkelt-domæne, forskerne fremstillede små transistorer på flere steder på hver wafer, herunder på tværs af tidligere rynkede områder.

"Vi målte elektronmobilitet gennem wafere, og deres præstationer var sammenlignelige, " siger Kim. "Hvad mere er, denne mobilitet i strøget grafen er to gange hurtigere. Så nu har vi virkelig enkelt-domæne grafen, og dens elektriske kvalitet er meget højere [end grafen-bundet siliciumcarbid]."

Kim siger, at selvom der stadig er udfordringer med at tilpasse grafen til brug i elektronik, gruppens resultater giver forskerne en plan for, hvordan man pålideligt fremstiller uberørte, enkelt domæne, rynkefri grafen i wafer-skala.

"Hvis du vil lave en hvilken som helst elektronisk enhed ved hjælp af grafen, du skal arbejde med enkelt-domæne grafen, " siger Kim. "Der er stadig lang vej at gå for at lave en operationel transistor af grafen. Men vi kan nu vise fællesskabets retningslinjer for, hvordan du kan lave enkeltkrystallinske, enkelt-domæne grafen."