(PhysOrg.com) - Forskare vid Georgia Institute of Technology har utvecklat en ny "malltillväxt"-teknik för att tillverka grafenenheter i nanometerskala. Metoden tar upp vad som hade varit ett betydande hinder för användningen av detta lovande material i framtida generationer av högpresterande elektroniska enheter.

Tekniken går ut på att etsa in mönster i kiselkarbidytorna på vilka epitaxiell grafen odlas. Mönstren fungerar som mallar som styr tillväxten av grafenstrukturer, möjliggör bildning av nanoband med specifika bredder utan användning av e-balkar eller andra destruktiva skärtekniker. Grafen nanoband som produceras med dessa mallar har släta kanter som undviker elektronspridningsproblem.

"Med detta tillvägagångssätt, vi kan göra mycket smala band av sammankopplade grafen utan de grova kanterna, sade Walt de Heer, professor vid Georgia Tech School of Physics. "Allt som kan göras för att göra små strukturer utan att behöva skära dem kommer att vara användbart för utvecklingen av grafenelektronik, för om kanterna är för grova, elektroner som passerar genom banden sprider sig mot kanterna och minskar de önskvärda egenskaperna hos grafen."

Den nya tekniken har använts för att tillverka en uppsättning av 10, 000 toppstyrda grafentransistorer på ett 0,24 kvadratcentimeters chip – tros vara den största densiteten av grafenenheter som rapporterats hittills.

Forskningen rapporterades 3 oktober i förhandsupplagan av tidskriften Naturens nanoteknik . Arbetet stöddes av National Science Foundation, W.M. Keck Foundation och Nanoelectronics Research Initiative Institute for Nanoelectronics Discovery and Exploration (INDEX).

När de skapar sina grafen nanostrukturer, De Heer och hans forskargrupp använder först konventionella mikroelektroniktekniker för att etsa små "steg" - eller konturer - i en kiselkarbidskiva. De värmer sedan den konturformade skivan till ungefär 1, 500 grader Celsius, som initierar smältning som polerar eventuella ojämna kanter efter etsningsprocessen.

De använder sedan etablerade tekniker för att odla grafen från kiselkarbid genom att driva bort kiselatomerna från ytan. Istället för att producera ett konsekvent lager av grafen en atom tjockt över ytan av skivan, dock, forskarna begränsar uppvärmningstiden så att grafen bara växer på kanterna av konturerna.

Att göra detta, de drar fördel av det faktum att grafen växer snabbare på vissa aspekter av kiselkarbidkristallen än på andra. Bredden på de resulterande nanobanden är proportionell mot konturens djup, tillhandahåller en mekanism för att exakt kontrollera nanobanden. För att bilda komplexa grafenstrukturer, flera etsningssteg kan utföras för att skapa en komplex mall, förklarade de Heer.

"Genom att använda kiselkarbiden för att tillhandahålla mallen, vi kan odla grafen i exakt de storlekar och former som vi vill, ", sa han. "Att skära steg av olika djup tillåter oss att skapa grafenstrukturer som är sammankopplade på det sätt vi vill att de ska vara.

I grafenband i nanometerskala, kvantinneslutning gör att materialet beter sig som en halvledare som är lämplig för att skapa elektroniska enheter. Men i band en mikron eller mer breda, materialet fungerar som en ledare. Genom att kontrollera djupet på kiselkarbidmallen kan forskarna skapa dessa olika strukturer samtidigt, använder samma tillväxtprocess.

"Samma material kan vara antingen en ledare eller en halvledare beroende på dess form, " noterade de Heer, som också är fakultetsmedlem i Georgia Techs National Science Foundation-stödda Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC). "En av de stora fördelarna med grafenelektronik är att göra enhetens ledningar och de halvledande banden av samma material. Det är viktigt för att undvika elektriskt motstånd som byggs upp vid korsningar mellan olika material."

Efter bildandet av nanobanden – som kan vara så smala som 40 nanometer – applicerar forskarna ett dielektriskt material och en metallport för att konstruera fälteffekttransistorer. Medan framgångsrik tillverkning av högkvalitativa transistorer visar grafens livskraft som elektroniskt material, de Heer ser dem som bara det första steget i vad som skulle kunna göras med materialet.

"När vi lyckas göra enheter bra på nanoskala, vi kan sedan gå vidare med att göra mycket mindre och finare strukturer som går längre än konventionella transistorer för att öppna upp möjligheten för mer sofistikerade enheter som använder elektroner mer som ljus än partiklar, " sa han. "Om vi ​​kan faktorisera kvantmekaniska egenskaper i elektronik, det kommer att öppna upp många nya möjligheter."

De Heer och hans forskargrupp arbetar nu med att skapa mindre strukturer, och att integrera grafenenheterna med kisel. Forskarna arbetar också med att förbättra fälteffekttransistorerna med tunnare dielektriska material.

I sista hand, grafen kan vara grunden för en generation av högpresterande enheter som kommer att dra nytta av materialets unika egenskaper i applikationer där den högre kostnaden kan motiveras. Silicon kommer att fortsätta att användas i applikationer som inte kräver så hög prestanda, sa de Heer.

"Detta är ytterligare ett steg som visar att vår metod att arbeta med epitaxiell grafen på kiselkarbid är den rätta metoden och den som förmodligen kommer att användas för att göra grafenelektronik, ", tillade han. "Detta är ett viktigt nytt steg mot elektroniktillverkning med grafen."