grafen, den tvådimensionella kristallina formen av kol, är en potentiell superstjärna för elektronikindustrin. Med galet rörliga elektroner som kan flamma genom materialet med nästan ljusets hastighet - 100 gånger snabbare än elektroner kan röra sig genom kisel - kan grafen användas för att göra supersnabba transistorer eller datorminneschips. Grafens unika "kycklingnät" atomstruktur uppvisar otrolig flexibilitet och mekanisk styrka, samt ovanliga optiska egenskaper som skulle kunna öppna ett antal lovande dörrar inom både elektronik- och fotonikindustrin. Dock, bland hindren som hindrar grafen från att ansluta sig till pantheonet av stjärnhögteknologiska material, kanske finns ingen större än att bara lära sig att göra grejerna i hög kvalitet och användbara kvantiteter.

"Innan vi fullt ut kan utnyttja de överlägsna elektroniska egenskaperna hos grafen i enheter, vi måste först utveckla en metod för att bilda enhetliga enskiktiga grafenfilmer på icke-ledande substrat i stor skala, " säger Yuegang Zhang, en materialvetare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Nuvarande tillverkningsmetoder baserade på mekanisk klyvning eller ultrahögvakuumglödgning, han säger, är illa lämpade för produktion i kommersiell skala. Grafenfilmer gjorda via lösningsbaserad avsättning och kemisk reduktion har lidit av dålig eller ojämn kvalitet.

Zhang och kollegor vid Berkeley Labs Molecular Foundry, ett U.S. Department of Energy (DOE) center för nanovetenskap, har tagit ett betydande steg för att undanröja detta stora hinder. De har framgångsrikt använt direkt kemisk ångdeposition (CVD) för att syntetisera enskiktsfilmer av grafen på ett dielektriskt substrat. Zhang och hans kollegor gjorde sina grafenfilmer genom att katalytiskt sönderdela kolväteprekursorer över tunna filmer av koppar som hade förutsatts på det dielektriska substratet. Kopparfilmerna avvättes därefter (separerade i pölar eller droppar) och indunstades. Slutprodukten var en enskiktsgrafenfilm på en ren dielektrikum.

"Detta är spännande nyheter för elektroniska applikationer eftersom kemisk ångavsättning är en teknik som redan används allmänt inom halvledarindustrin, " säger Zhang. "Också, vi kan lära oss mer om tillväxten av grafen på metallkatalysatorytor genom att observera filmernas utveckling efter avdunstning av koppar. Detta bör lägga en viktig grund för ytterligare kontroll av processen och göra det möjligt för oss att skräddarsy egenskaperna hos dessa filmer eller producera önskade morfologier, såsom grafen nanoband."

Zhang och hans kollegor har rapporterat sina fynd i tidskriften Nanobokstäver i en tidning med titeln, "Direkt kemisk ångavsättning av grafen på dielektriska ytor." Andra medförfattare till denna artikel var Ariel Ismach, Clara Druzgalski, Samuel Penwell, Maxwell Zheng, Ali Javey och Jeffrey Bokor, allt med Berkeley Lab.

I deras studie, Zhang och hans kollegor använde elektronstråleavdunstning för att avsätta kopparfilmer med en tjocklek från 100 till 450 nanometer. Koppar valdes eftersom den som metallkatalysator med låg kollöslighet förväntades ge bättre kontroll över antalet grafenlager som produceras. Flera olika dielektriska substrat utvärderades inklusive enkristallkvarts, safir, smält kiseldioxid och kiseloxidskivor. CVD av grafenen utfördes vid 1, 000 grader Celsius i varaktigheter som sträckte sig från 15 minuter upp till sju timmar.

"Detta gjordes för att vi skulle kunna studera effekten av filmtjocklek, substrattyp och CVD-tillväxttid på grafenbildningen, " säger Zhang.

En kombination av skanning av Raman-kartläggning och spektroskopi, plus svepelektron- och atomkraftsmikroskopi bekräftade närvaron av kontinuerliga enskiktiga grafenfilmer som täcker metallfria områden av dielektriskt substrat som mäter tiotals kvadratmikrometer.

"Ytterligare förbättringar av kontrollen av avvätning och förångningsprocessen kan leda till direkt avsättning av mönstrad grafen för storskalig tillverkning av elektroniska enheter, säger Zhang. "Denna metod kan också generaliseras och användas för att deponera andra tvådimensionella material, såsom bornitrid."

Även uppkomsten av rynkor i grafenfilmerna som följde i linje med kopparns avvätande form kan visa sig vara fördelaktigt på lång sikt. Även om tidigare studier har visat att rynkor i en grafenfilm har en negativ inverkan på elektroniska egenskaper genom att introducera stammar som minskar elektronrörlighet, Zhang tror att rynkorna kan vändas till en fördel.

"Om vi ​​kan lära oss att kontrollera bildningen av rynkor i våra filmer, vi borde kunna modulera den resulterande belastningen och därigenom skräddarsy elektroniska egenskaper, ", säger han. "Ytterligare studier av rynkor kan också ge oss viktiga nya ledtrådar för bildandet av grafen nanoband."