Elektronisk grafen i stort område vokser billigt

Elektronikindustrien kunne se meget anderledes ud i dag, hvis det ikke var for det dramatiske fald i omkostningerne ved højkvalitets enkeltkrystallinske siliciumwafers i løbet af de sidste fem årtier. Så hvad ville der ske, hvis prisen på enkeltkrystallinsk grafen tog et tilsvarende betydeligt dyk? Resultater rapporteret i ACS Nano kan bringe dette tættere på virkeligheden, da de viser, at enkeltkrystallinsk grafen kan vokse på en brøkdel af den sædvanlige tid og ved at bruge meget billigere polykrystallinske substrater end normalt nødvendigt.

Omkostningerne ved at producere grafen er allerede faldet betydeligt i løbet af de sidste 20 år fra hundredtusindvis af dollars pr. kilogram til mindre end 50 dollars. Imidlertid, udnyttelse af materialets elektroniske egenskaber stiller meget højere krav til krystalkvaliteten – korngrænser, defekter og dislokationer forstyrrer alle materialets elektroniske adfærd – så prisskiltet for grafen i elektronikkvalitet forbliver højt.

Kemisk dampaflejring er blandt de mest populære metoder til at dyrke grafen af ​​god kvalitet, men defekter er uundgåelige. At tumle med parametrene under vækst, så der ikke dannes yderligere kernedannelsessteder, der kan fremme væksten af ​​enkeltkrystallinsk grafen, til sidst. Imidlertid, den lange periode, denne vækst tager, gør den dyr. Andre tilgange inkluderer vækst på et enkeltkrystallinsk katalytisk substrat, men disse substrater er dyrere, igen skruer op for omkostningerne.

I stedet, Dongmok Whang ved Sungkyunkwan University Advanced Institute of Nanotechnology og Jae-Hyun Lee ved Ajou University og deres kolleger har taget noget enkelt-krystal grafen og overført stykker af det fordelt på et polykrystallinsk substrat. De viser i deres rapport, at efterfølgende dyrkning af stykkerne på de polykrystallinske metaller giver dem mulighed for at slutte sig sammen. Fordi de alle er blevet overført fra samme prøve, hvert stykkes krystalgitter er orienteret i samme retning, efterlader ingen korngrænser. "Hvis syntesetemperaturen, brugt gas, osv. antages at være ens, det termiske budget og prisen på substratet kan siges at være reduceret til en fjerdedel, " forklarer Lee.

Sømløs vækst

Lee forklarer, at de kom på ideen, efter at en foreløbig litteraturundersøgelse fremhævede, at den energi, der kræves for at dyrke grafen fra kanten af ​​grafenfrø, er teoretisk lavere end den energi, der kræves til nukleering af nye grafenfrø. "Med andre ord, man troede, at yderligere kernedannelse let kunne undertrykkes ved lavere energiforhold (f.eks. lav koncentration af prækursor eller lav væksttemperatur)."

Whang og Lee og kolleger havde også et forspring med at få processen til at fungere. Deres frøvækstproces afhænger af adgang til enkeltkrystal monolagsgrafen med stort areal, som de havde gode erfaringer med at dyrke. Ud over, de havde brug for en teknik, der var i stand til rent at overføre de justerede frø til omhyggeligt adskilte og justerede positioner på det polykrystallinske substrat. Heldigvis, de havde også tidligere vist, at når man dyrkede grafen på en bestemt facet af enkeltkrystallinsk germanium - Ge(110) - dannedes et brintlag ved grænsefladen mellem grafen og substrat, gør det nemmere at overføre.

Selv med overførsel fra Ge(110), defekter trænger uundgåeligt ind, men forskerne var også i stand til at vise, at ved at reducere metanet i en periode under væksten, ætsningshastigheden kunne overstige væksthastigheden, således at eksisterende defekter kunne ætses væk.

Grafen af ​​elektronisk kvalitet

For at bestemme, hvilken frøstørrelse og -afstand der ville fungere bedst, Whang og Lee og kolleger beregnede diffusionslængden for de anvendte temperaturer og prækursorkoncentrationer. De skar "frø" 10 μm brede fra deres originale enkeltkrystallinske grafenprøve og overførte dem til polykrystallinsk platin med en afstand på 50 μm. Her, de dyrkede enkeltkrystallinsk grafen til at dække et areal på 2 cm x 2 cm." Det var svært at vokse til større størrelser på grund af begrænsningerne i vores CVD-system, " siger Lee. "Men vi mener, at vores tilgang fuldt ud kan anvendes på store katalysatorsubstrater."

Ikke alene er polykrystallinsk platin meget billigere, men de kunne genbruge substratet uden at skade kvaliteten af ​​det resulterende enkeltkrystallinske grafen, så det koster omkring $100 dollars pr. cm ² af substrat i stedet for $2000. De forventer, at hvis de kan dyrke de overførte frø på polykrystallinsk kobber eller aluminiumsfolie, de vil være i stand til at reducere omkostningerne yderligere.

Forskerne testede de elektroniske egenskaber af grafen dyrket fra overførte frø ved at konstruere felteffekttransistorenheder, der skrævede stederne for to overførte frø. Sammenligninger af elektronmobiliteten viste ikke noget nævneværdigt fald i mobilitet, hvor de overførte frø sluttede sig sammen, giver 11, 811 V cm ^-1 s ^-1 for venstre korn, 10, 844 til højre og 11, 063 V cm ^-1 s ^-1 mellem dem.

Andre 2-D materialer?

Forskerne prøvede ideen med grafen, fordi dens vækstadfærd er velforstået, og især, det er kun lavet af én atomtype, kulstof, hvilket forenkler processen. De vil gerne anvende tilgangen til 2-D materialer, men ville være nødt til at se nærmere på, hvordan de håndterer de forskellige prækursorer for ikke-elementære 2-D materialer.

"Der er mange variabler at overveje på grund af de forskellige opløselighed og diffusionshastigheder af hvert element i katalysatoren, " siger Lee. "Men hvis vi bruger en proces, der sekventielt reagerer en forløber og en anden forløber, såsom en atomisk lagaflejringsproces (ALD), som kan forenkle procesparametre, det kunne være muligt at dyrke et enkelt krystallinsk monolag af forskellige 2-D materialer."

© 2020 Science X Network