(PhysOrg.com) -- Flytta över kisel. Det finns ett nytt elektroniskt material i stan, och det går fort. Det materialet, fokus för 2010 års Nobelpris i fysik, är grafen -- ett fint namn för extremt tunna lager av vanliga kolatomer ordnade i ett "kycklingtråds"-galler. Dessa lager, ibland bara en enda atom tjock, leda el med praktiskt taget inget motstånd, mycket liten värmeproduktion - och mindre strömförbrukning än kisel.

Med tillverkning av kiselanordningar närmar sig sina fysiska gränser, många forskare tror att grafen kan tillhandahålla ett nytt plattformsmaterial som skulle göra det möjligt för halvledarindustrin att fortsätta sin marsch mot allt mindre och snabbare elektroniska enheter – framsteg som beskrivs i Moores lag. Även om grafen sannolikt aldrig kommer att ersätta kisel för vardagliga elektroniska applikationer, det kan ta över som material för högpresterande enheter.

Och grafen kan i slutändan skapa en ny generation enheter som är utformade för att dra nytta av dess unika egenskaper.

Sedan 2001, Georgia Tech har blivit världsledande inom utveckling av epitaxiell grafen, en specifik typ av grafen som kan odlas på stora wafers och mönstras för användning i elektroniktillverkning. I en nyligen publicerad artikel publicerad i tidskriften Nature Nanotechnology, Georgia Tech-forskare rapporterade att de tillverkade en uppsättning av 10, 000 toppstyrda transistorer på ett 0,24 kvadratcentimeters chip, en prestation som tros vara den högsta densiteten som hittills rapporterats i grafenenheter.

När du skapar den arrayen, de visade också en smart ny metod för att odla komplexa grafenmönster på mallar etsade i kiselkarbid. Den nya tekniken erbjöd lösningen på en av de svåraste frågorna som grafenelektronik hade mött.

"Detta är ett viktigt steg mot elektroniktillverkning med grafen, "sa Walt de Heer, en professor vid Georgia Tech's School of Physics som banade väg för utvecklingen av grafen för högpresterande elektronik. "Detta är ytterligare ett steg som visar att vår metod för att arbeta med epitaxial grafen odlad på kiselkarbid är det rätta tillvägagångssättet och det som förmodligen kommer att användas för att göra grafenelektronik."

Utrullade kolnanorör

För de Heer, historien om grafen börjar med kolnanorör, små cylindriska strukturer som ansågs vara mirakulösa när de först började studeras av forskare 1991. De Heer var en av forskarna som var entusiastiska över egenskaperna hos nanorör, vars unika arrangemang av kolatomer gav dem fysiska och elektroniska egenskaper som forskare trodde kunde vara grunden för en ny generation av elektroniska enheter.

Kolnanorör har fortfarande attraktiva egenskaper, men förmågan att odla dem konsekvent - och att införliva dem i elektronikapplikationer med stora volymer - har hittills undgått forskare. De Heer insåg före andra att kolnanorör förmodligen aldrig skulle användas för elektroniska enheter med stora volymer.

Men han insåg också att nyckeln till de attraktiva elektroniska egenskaperna hos nanorören var gallret som skapades av kolatomerna. Varför inte bara odla det gallret på en plan yta, och använda tillverkningstekniker som bevisats i mikroelektronikindustrin för att skapa enheter på ungefär samma sätt som kiselintegrerade kretsar?

Genom att värma kiselkarbid-ett allmänt använt elektroniskt material-kunde de Heer och hans kollegor driva kiselatomer från ytan, lämnar bara kolgittret i tunna lager av grafen som är tillräckligt stora för att växa de typer av elektroniska enheter som är bekanta för en generation av elektronikdesigners.

Den processen låg till grund för ett patent som lämnades in 2003, och för första forskningsstöd från chipstillverkaren Intel. Sedan dess, de Heers grupp har publicerat dussintals artiklar och hjälpt till att skapa andra forskargrupper som också använder epitaxial grafen för elektroniska enheter. Även om forskare fortfarande lär sig om materialet, företag som IBM har lanserat forskningsprogram baserade på epitaxiell grafen, och byråer som National Science Foundation (NSF) och Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) har investerat i att utveckla materialet för framtida elektroniktillämpningar.

Georgia Techs arbete med att utveckla epitaxiell grafen för tillverkning av elektroniska enheter uppmärksammades i bakgrundsdokumentet som producerats av Kungliga Vetenskapsakademien som en del av Nobelprisdokumentationen.

Kapplöpet att hitta kommersiella tillämpningar för grafen är intensivt, med forskare från USA, Europa, Japan och Singapore engagerade sig i välfinansierade ansträngningar. Sedan Nobelpriset tilldelades en grupp från Storbritannien, floden av pressmeddelanden om grafenutvecklingen har ökat.

"Vår epitaxiala grafen används nu runt om i världen av många forskningslaboratorier, "noterade de Heer." Vi är förmodligen i det skede där kisel fanns på 1950 -talet. Det här är början på något som kommer att bli väldigt stort och viktigt."

Silicon "Running Out of Gas"

Ett nytt elektronikmaterial behövs eftersom kisel tar slut i miniatyriseringsrummet.

"Först och främst, vi har fått hastighetsökningarna från kisel genom att kontinuerligt krympa funktionsstorlekar och förbättra sammankopplingstekniken, sa Dennis Hess, chef för det National Science Foundation-sponsrade Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) etablerat vid Georgia Tech för att studera framtida elektroniskt material, börjar med epitaxiell grafen. "Vi är vid den punkt där det om mindre än 10 år, vi kommer inte att kunna krympa funktionsstorlekarna längre på grund av enhetens fysik. Det betyder att vi antingen måste ändra typen av enhet vi tillverkar, eller ändra det elektroniska material vi använder."

Det är en fråga om fysik. I de mycket små skalor som behövs för att skapa allt tätare enhetsuppsättningar, kisel genererar för mycket motstånd mot elektronflöde, skapar mer värme än vad som kan släppas ut och förbrukar för mycket kraft.

Grafen har inga sådana begränsningar, och faktiskt, kan ge elektronmobilitet så mycket som 100 gånger bättre än kisel. De Heer tror att hans grupp har utvecklat färdplanen för framtiden för högpresterande elektronik-och att den är belagd med epitaxial grafen.

"Vi har i princip utvecklat ett helt system för att göra elektronik av grafen, " sa han. "Vi har fastställt vad vi tror kommer att vara grundreglerna för hur det kommer att fungera, och vi har nyckelpatenten på plats."

Kisel, självklart, har mognat under många generationer genom ständig forskning och förbättring. De Heer och Hess är överens om att kisel alltid kommer att finnas, användbar för billiga konsumentprodukter som iPods, brödrostar, persondatorer och liknande.

De Heer förväntar sig att grafen ska hitta sin nisch och göra saker som annars inte skulle kunna göras.

"Vi försöker inte göra något billigare eller bättre; vi kommer att göra saker som inte alls kan göras med kisel, "sa han." Gör elektroniska enheter så små som en molekyl, till exempel, kan inte göras med kisel, men i princip kunde man göra med grafen. Nyckelfrågan är hur man förlänger Moores lag i en värld efter CMOS. "

Till skillnad från kolnanorören han studerade på 1990 -talet, de Heer ser inga större problem för utvecklingen av epitaxial grafen.

"Att grafen kommer att bli en stor aktör inom framtidens elektronik råder inte längre någon tvekan om, " sa han. "Vi ser inga riktiga vägspärrar framför oss. Det finns inga blinkande röda lampor eller andra tecken som verkar säga att detta inte kommer att fungera. Alla problem vi ser hänför sig till att förbättra tekniska problem, och vi vet hur man gör det."

Att göra det bästa grafenet

Sedan utforskningen av grafen började 2001, de Heer och hans forskargrupp har gjort kontinuerliga förbättringar av kvaliteten på materialet de producerar, och dessa förbättringar har gjort det möjligt för dem att visa ett antal fysiska egenskaper - som Quantum Hall Effect - som verifierar materialets unika egenskaper.

"Egenskaperna som vi ser i vårt epitaxiala grafen liknar det vi har beräknat för ett idealiskt teoretiskt ark av grafen som hänger i luften, sa Claire Berger, en forskare vid Georgia Tech School of Physics som också har en fakultetstjänst vid Centre National de la Recherche Scientifique i Frankrike. "Vi ser dessa egenskaper i elektrontransporten och vi ser dessa egenskaper i alla slags spektroskopi. Allt som ska förekomma i ett enda ark grafen ser vi i våra system."

Nyckeln till materialets framtid, självklart, är möjligheten att göra elektroniska enheter som fungerar konsekvent. Forskarna tror att de nästan har nått den punkten.

"All of the properties that epitaxial graphene needs to make it viable for electronic devices have been proven in this material, " said Ed Conrad, a professor in Georgia Tech's School of Physics who is also a MRSEC member. "We have shown that we can make macroscopic amounts of this material, and with the devices that are scalable, we have the groundwork that could really make graphene take off."

Reaching higher and higher device density is also important, along with the ability to control the number of layers of graphene produced. The group has demonstrated that in their multilayer graphene, each layer retains the desired properties.

"Multilayer graphene has different stacking than graphite, the material found in pencils, " Conrad noted. "In graphite, every layer is rotated 60 degrees and that's the only way that nature can do it. When we grow graphene on silicon carbide, the layers are rotated 30 degrees. When that happens, the symmetry of the system changes to make the material behave the way we want it to."

Epitaxial Versus Exfoliated

Much of the world's graphene research -- including work leading to the Nobel -- involved the study of exfoliated graphene:layers of the material removed from a block of graphite, originally with tape. While that technique produces high-quality graphene, it's not clear how that could be scaled up for industrial production.

While agreeing that the exfoliated material has produced useful information about graphene properties, de Heer dismisses it as "a science project" unlikely to have industrial electronics application.

"Electronics companies are not interested in graphene flakes, " he said. "They need industrial graphene, a material that can be scaled up for high-volume manufacturing. Industry is now getting more and more interested in what we are doing."

De Heer says Georgia Tech's place in the new graphene world is to focus on electronic applications.

"We are not really trying to compete with these other groups, " he said. "We are really trying to create a practical electronic material. To do that, we will have to do many things right, including fabricating a scalable material that can be made as large as a wafer. It will have to be uniform and able to be processed using industrial methods."

Resolving Technical Issues

Among the significant technical issues facing graphene devices has been electron scattering that occurs at the boundaries of nanoribbons. If the edges aren't perfectly smooth -- as usually happens when the material is cut with electron beams -- the roughness bounces electrons around, creating resistance and interference.

To address that problem, de Heer and his team recently developed a new "templated growth" technique for fabricating nanometer-scale graphene devices. The technique involves etching patterns into the silicon carbide surfaces on which epitaxial graphene is grown. The patterns serve as templates directing the growth of graphene structures, allowing the formation of nanoribbons of specific widths without the use of e-beams or other destructive cutting techniques. Graphene nanoribbons produced with these templates have smooth edges that avoid electron-scattering problems.

"Using this approach, we can make very narrow ribbons of interconnected graphene without the rough edges, " said de Heer. "Anything that can be done to make small structures without having to cut them is going to be useful to the development of graphene electronics because if the edges are too rough, electrons passing through the ribbons scatter against the edges and reduce the desirable properties of graphene."

In nanometer-scale graphene ribbons, quantum confinement makes the material behave as a semiconductor suitable for creation of electronic devices. But in ribbons a micron or so wide, the material acts as a conductor. Controlling the depth of the silicon carbide template allows the researchers to create these different structures simultaneously, using the same growth process.

"The same material can be either a conductor or a semiconductor depending on its shape, " noted de Heer. "One of the major advantages of graphene electronics is to make the device leads and the semiconducting ribbons from the same material. That's important to avoid electrical resistance that builds up at junctions between different materials."

After formation of the nanoribbons, the researchers apply a dielectric material and metal gate to construct field-effect transistors. While successful fabrication of high-quality transistors demonstrates graphene's viability as an electronic material, de Heer sees them as only the first step in what could be done with the material.

"When we manage to make devices well on the nanoscale, we can then move on to make much smaller and finer structures that will go beyond conventional transistors to open up the possibility for more sophisticated devices that use electrons more like light than particles, " he said. "If we can factor quantum mechanical features into electronics, that is going to open up a lot of new possibilities."

Collaborations with Other Groups

Before engineers can use epitaxial graphene for the next generation of electronic devices, they will have to understand its unique properties. As part of that process, Georgia Tech researchers are collaborating with scientists at the National Institute of Standards and Technology (NIST). The collaboration has produced new insights into how electrons behave in graphene.

In a recent paper published in the journal Nature Physics , the Georgia Tech-NIST team described for the first time how the orbits of electrons are distributed spatially by magnetic fields applied to layers of epitaxial graphene. They also found that these electron orbits can interact with the substrate on which the graphene is grown, creating energy gaps that affect how electron waves move through the multilayer material.

"The regular pattern of magnetically-induced energy gaps in the graphene surface creates regions where electron transport is not allowed, " said Phillip N. First, a professor in the Georgia Tech School of Physics and MRSEC member. "Electron waves would have to go around these regions, requiring new patterns of electron wave interference. Understanding this interference would be important for some bi-layer graphene devices that have been proposed."

Earlier NIST collaborations led to improved understanding of graphene electron states, and the way in which low temperature and high magnetic fields can affect energy levels. The researchers also demonstrated that atomic-scale moiré patterns, an interference pattern that appears when two or more graphene layers are overlaid, can be used to measure how sheets of graphene are stacked.

In a collaboration with the U.S. Naval Research Laboratory and University of Illinois at Urbana-Champaign, a group of Georgia Tech professors developed a simple and quick one-step process for creating nanowires on graphene oxide.

"Vi har visat att genom att lokalt värma isolerande grafenoxid, both the flakes and the epitaxial varieties, med en atomkraftmikroskopspets, we can write nanowires with dimensions down to 12 nanometers, sa Elisa Riedo, an associate professor in the Georgia Tech School of Physics and a MRSEC member. "And we can tune their electronic properties to be up to four orders of magnitude more conductive."

A New Industrial Revolution?

Though graphene can be grown and fabricated using processes similar to those of silicon, it is not easily compatible with silicon. That means companies adopting it will also have to build new fabrication facilities -- an expensive investment. Följaktligen, de Heer believes industry will be cautious about moving into a new graphene world.

"Silicon technology is completely entrenched and well developed, " he admitted. "We can adopt many of the processes of silicon, but we can't easily integrate ourselves into silicon. På grund av det, we really need a major paradigm shift. But for the massive electronics industry, that will not happen easily or gently."

He draws an analogy to steamships and passenger trains at the dawn of the aviation age. Vid något tillfälle, it became apparent that airliners were going to replace both ocean liners and trains in providing first-class passenger service. Though the cost of air travel was higher, passengers were willing to pay a premium for greater speed.

"We are going to see a coexistence of technologies for a while, and how the hybridization of graphene and silicon electronics is going to happen remains up in the air, " de Heer predicted. "That is going to take decades, though in the next ten years we are probably going to see real commercial devices that involve graphene."