Forskare från Georgia Institute of Technology har för första gången lämnat detaljer om sin "inneslutningskontrollerade sublimering" -teknik för odling av högkvalitativa lager av epitaxial grafen på kiselkarbidskivor. Tekniken bygger på att kontrollera ångtrycket för gasfas-kisel i högtemperaturugnen som används för att tillverka materialet.

Grundprincipen för att odla tunna lager av grafen på kiselkarbid kräver uppvärmning av materialet till cirka 1, 500 grader Celsius under högvakuum. Värmen driver bort kislet, lämnar efter sig ett eller flera lager av grafen. Men okontrollerad avdunstning av kisel kan producera material av dålig kvalitet som är värdelöst för konstruktörer av elektroniska enheter.

"För odling av högkvalitativ grafen på kiselkarbid, det är viktigt att kontrollera avdunstningen av kisel vid precis rätt temperatur, "sa Walt de Heer, en professor som föregick tekniken i Georgia Tech School of Physics. "Genom att exakt kontrollera hastigheten med vilken kisel kommer från skivan, vi kan styra hastigheten med vilken grafen produceras. Det gör att vi kan producera mycket fina lager av epitaxial grafen. "

De Heer och hans team börjar med att placera en kiselkarbidskiva i ett hölje av grafit. Ett litet hål i behållaren styr flykten av kiselatomer när en kvadratcentimeter skiva värms upp, bibehålla hastigheten för kiselindunstning och kondensation nära dess termiska jämvikt. Tillväxten av epitaxial grafen kan ske i ett vakuum eller i närvaro av en inert gas såsom argon, och kan användas för att producera både enskilda lager och flera lager av materialet.

"Denna teknik verkar vara helt i linje med vad människor en dag kan göra i tillverkningsanläggningar, "de Heer sade." Vi tror att detta är ganska viktigt för att vi rationellt och reproducerbart ska kunna odla grafen på kiselkarbid. Vi känner att vi nu förstår processen, och tror att det kan skala upp för elektroniktillverkning. "

Tekniken för att odla stora ytor av epitaxial grafen beskrevs i veckan i tidig tidning Förfaranden från National Academy of Sciences . Forskningen har fått stöd av National Science Foundation genom Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), flygvapenkontoret för vetenskaplig forskning, och W.M. Keck Foundation.

Papperet beskriver också en teknik för att odla smala grafenband, en process de Heers grupp har kallat "mallad tillväxt." Den tekniken, vilket kan vara användbart för att skapa grafen -sammankopplingar, beskrevs först i oktober 2010 i tidningen Naturnanoteknik .

Den mallade tillväxttekniken innefattar etsningsmönster i kiselkarbidytor med konventionella nanolitografiska processer. Mönstren fungerar som mallar som styr tillväxten av grafenstrukturer på delar av de mönstrade ytorna. Tekniken bildar nanoribb med specifika bredder utan användning av elektronstrålar eller andra destruktiva skärtekniker. Graphene nanoribbons producerade med dessa mallar har släta kanter som undviker problem med elektronspridning.

Tillsammans, de två teknikerna ger forskarna flexibiliteten att producera grafen i former som passar olika behov, de Heer noterade. Starkark av grafen kan odlas på både kolavslutade och kiselavslutade sidor av en kiselkarbidplatta, medan de smala banden kan odlas på den kiselavslutade sidan. På grund av olika behandlingstekniker, endast en sida av en viss skiva kan användas.

Georgia Tech -forskargruppen - som inkluderar Claire Berger, Ming Ruan, Mike Sprinkle, Xuebin Li, Yike Hu, Baiqian Zhang, John Hankinson och Edward Conrad - har hittills tillverkat strukturer så smala som 10 nanometer med hjälp av den mallade tillväxttekniken. Dessa nanotrådar uppvisar intressanta kvanttransportegenskaper.

"Vi kan göra mycket bra kvanttrådar med hjälp av den mallade tillväxttekniken, "de Heer sa." Vi kan göra stora strukturer och enheter som visar Quantum Hall -effekten, vilket är viktigt för många applikationer. Vi har visat att mallad tillväxt kan gå ända ner till nanoskala, och att fastigheterna blir ännu bättre där. "

Utvecklingen av sublimeringstekniken uppstod från ansträngningar att skydda den växande grafen från syre och andra föroreningar i ugnen. För att ta itu med kvalitetsproblemen, forskargruppen försökte innesluta skivan i en grafitbehållare från vilken en del kiselgas fick läcka ut.

"Vi insåg snart att grafen som odlades i behållaren var mycket bättre än vad vi hade producerat, "återkallade de Heer." Ursprungligen vi trodde att det var för att vi skyddade det från föroreningar. Senare, vi insåg att det berodde på att vi kontrollerade avdunstningen av kisel. "

Epitaxial grafen kan vara grunden för en ny generation högpresterande enheter som kommer att dra nytta av materialets unika egenskaper i applikationer där högre kostnader kan motiveras. Kisel, dagens valda elektroniska material, kommer att fortsätta att användas i applikationer där hög prestanda inte krävs, sa de Heer.

Även om forskare fortfarande kämpar med att designa nanometerskaliga epitaxiala grafenanordningar som drar nytta av materialets unika egenskaper, de Heer är övertygad om att det i slutändan kommer att ske.

"Dessa tekniker gör att vi kan göra exakta nanostrukturer och verkar vara mycket lovande för att göra de nanoskala -enheter som vi behöver, "sa han." Även om det finns allvarliga utmaningar framöver för att använda grafen i elektronik, vi har övervunnit avspärrningar tidigare. "