At skabe kontakt:Forskere forbinder individuelle grafen nanobånd

Forskere har udviklet en metode til at "koble op" grafen nanobånd (GNR'er), en klasse af endimensionelle materialer, der er af interesse i skalering af mikroelektroniske enheder. Ved hjælp af en direkte-skrive scanning tunneling mikroskopi (STM) baseret proces, nanometer-skala metal kontakter blev fremstillet på individuelle GNR'er og kunne kontrollere den elektroniske karakter af GNR'erne.

Forskerne siger, at dette er den første demonstration af at skabe metalkontakter til specifikke GNR'er med sikkerhed, og at disse kontakter inducerer enhedsfunktionalitet, der er nødvendig for transistorfunktion.

Resultaterne af denne forskning, ledet af elektro- og computeringeniørprofessor Joseph Lyding, sammen med ECE-kandidatstuderende Pin-Chiao Huang og materialevidenskabs- og ingeniørstuderende Hongye Sun, blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

"Graphene har eksisteret i et stykke tid, og det er blevet tænkt som noget, der potentielt kunne være et højhastigheds elektronisk materiale, måske endda en erstatning for silicium," forklarer Lyding. "Men problemet med grafen i sig selv er, at det ikke er en halvleder."

Grafen er et et-atom-tykt lag af kulstofatomer, og selvom det kan være det tyndeste kendte materiale, er det også utroligt stærkt. Halvlederegenskaber kan induceres i grafen ved at gøre det meget lille eller ved at fremstille det til specifikke former - som bånd. Til dette projekt blev atomisk præcise GNR'er syntetiseret af medforfatter Alexander Sinitskii og hans gruppe ved University of Nebraska.

Processen med at lave en transistor ud af GNR'erne inkluderer at sætte dem på et siliciumsubstrat, forbinde ledninger og køre strøm gennem ledningerne for at måle transistoregenskaberne. Holdet har taget det kritiske skridt at tage GNR'erne, der er smallere i diameter end et DNA-molekyle, og koble dem op. De har udviklet en teknik, hvor ledningerne også er blot et par nanometer brede.

Andre forskere har arbejdet på dette problem ved at lægge mange GNR'er på en siliciumoverflade og sætte gigantiske elektroder ned og håbe på det bedste. Denne metode medfører dog en del usikkerhed. Lyding og hans elever brugte en mere præcis metode til at forbinde GNR'erne. De brugte et scanning tunneling mikroskop (et atomopløsning billeddannelsesværktøj) til at scanne overfladen på udkig efter en GNR at bruge.

I STM bringes en skarp spids tæt på en overflade - i størrelsesordenen en nanometer - og scannes hen over overfladen. Der er en strømstrøm mellem spidsen og overfladen, og når spidsen støder på atomer på overfladen, som at køre over en fartbump, bliver den aktuelle strøm moduleret. Dette giver mulighed for påvisning og billeddannelse af GNR'erne.

Når de først har fundet en GNR, bruger de elektronstrålen i STM til at udløse metalaflejring fra hafniumdiborid-precursormolekyler til at skabe ledningerne. Medforfatter Gregory Girolami og hans gruppe i UIUC Chemistry Department syntetiserede forløberen for denne proces, kaldet STM direct-write. "Vores ledningsmetode er meget præcis. Når vi ser en GNR, kan vi bare definere et mønster, som vi ønsker, og så forbinder vi det. Det er ikke bare blindt at kaste elektroder på overfladen," siger Huang.

En anden fordel ved denne metode er, at den udføres i ultrahøjt vakuum (UHV). Dette sikrer, at materialet forbliver rent for atmosfærisk vand og andet "skrammel", der forringer enhedens ydeevne.

Forskerne undersøgte også den elektroniske karakter af GNR'erne og fandt ud af, at den blev ændret ved at sætte metalkontakterne på. Halvleder "doping" er den bevidste introduktion af urenheder for at ændre dens elektroniske egenskaber.

Sun forklarer:"En måde at dope GNR'er på er at bruge forskellige kemiske reaktioner til at ændre GNR-egenskaberne. Men den proces er svær. Den måde, vi gør det på, er ved at deponere metal. Og vi kan faktisk vælge den slags metal, vi ønsker at sætte på GNR'erne, som også kunne justere GNR-egenskaberne. Det er en måde at dope vores GNR'er på, uden faktisk at bruge dopanter."

Lyding siger:"Det næste trin, som vi arbejder på nu, er at lave en rigtig transistor og faktisk måle transistoregenskaberne. Men vi ved, at vi kan lave denne uberørte proces ved at bruge ultrahøjt vakuum til fremstilling af elektroderne. som er absolut nødvendige for enhedens funktion."

Flere oplysninger: Pin-Chiao Huang et al., Sub-5 nm-kontakter og induceret p–n-forbindelsesdannelse i individuelle atomisk præcise grafen-nanorribbons, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c02794

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering