En ny "malltillväxt"-teknik för att tillverka nanoband av epitaxiell grafen har producerat strukturer bara 15 till 40 nanometer breda som leder ström med nästan inget motstånd. Dessa strukturer skulle kunna möta utmaningen att koppla ihop grafenenheter gjorda med konventionella arkitekturer – och sätta scenen för en ny generation av enheter som drar fördel av elektronernas kvantegenskaper.

"Vi kan nu göra mycket smala, ledande nanorband som har kvantballistiska egenskaper, sade Walt de Heer, en professor vid School of Physics vid Georgia Institute of Technology. "Dessa smala band blir nästan som en perfekt metall. Elektroner kan röra sig genom dem utan att spridas, precis som de gör i kolnanorör."

De Heer var planerad att diskutera de senaste resultaten av denna grafentillväxtprocess den 21 mars vid American Physical Societys möte i mars 2011 i Dallas. Forskningen sponsrades av National Science Foundation-stödda Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC).

Rapporterades första gången 3 oktober i förhandsupplagan av tidskriften Naturens nanoteknik , den nya tillverkningstekniken tillåter produktion av epitaxiella grafenstrukturer med släta kanter. Tidigare tillverkningstekniker som använde elektronstrålar för att skära grafenark gav nanobandstrukturer med grova kanter som spred elektroner, orsakar störningar. De resulterande nanorbanden hade egenskaper mer som isolatorer än ledare.

"I vår mallbaserade tillväxtstrategi, vi har i princip eliminerat de kanter som tar bort grafenens önskvärda egenskaper, " förklarade de Heer. "Kanterna på den epitaxiella grafenen smälter samman i kiselkarbiden, producera egenskaper som verkligen är ganska intressanta."

Tekniken med "mallad tillväxt" börjar med etsning av mönster i kiselkarbidytorna på vilka epitaxiell grafen odlas. Mönstren fungerar som mallar som styr tillväxten av grafenstrukturer, tillåter bildandet av nanoband och andra strukturer med specifika bredder och former utan användning av skärtekniker som producerar de grova kanterna.

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

Etablerade tekniker används sedan för att odla grafen från kiselkarbid genom att driva bort kiselatomerna från ytan. Istället för att producera ett konsekvent lager av grafen över hela ytan av skivan, dock, forskarna begränsar uppvärmningstiden så att grafen bara växer på delar av konturerna.

Bredden på de resulterande nanorbanden är proportionell mot djupet på konturerna, tillhandahåller en mekanism för att exakt kontrollera nanobandstrukturerna. För att bilda komplexa strukturer, flera etsningssteg kan utföras för att skapa komplexa mallar.

"Denna teknik tillåter oss att undvika de komplicerade e-beam litografistegen som människor har använt för att skapa strukturer i epitaxiell grafen, " de Heer noterade. "Vi ser mycket bra egenskaper som visar att dessa strukturer kan användas för riktiga elektroniska applikationer."

Sedan publiceringen av Nature Nanotechnology-tidningen, de Heers team har förfinat sin teknik. "Vi har tagit det här till en extrem – de renaste och smalaste banden vi kan göra, " sa han. "Vi förväntar oss att kunna göra allt vi behöver med de storleksband som vi kan göra just nu, även om vi förmodligen skulle kunna minska bredden till 10 nanometer eller mindre."

Medan Georgia Tech-teamet fortsätter att utveckla högfrekventa transistorer – kanske till och med i terahertz-området – fokuserar deras primära ansträngning nu på att utveckla kvantenheter, sa de Heer. Sådana anordningar föreställdes i de patent som Georgia Tech innehar på olika epitaxiella grafenprocesser.

"Detta betyder att sättet vi kommer att göra med grafenelektronik kommer att vara annorlunda, " förklarade han. "Vi kommer inte att följa modellen med att använda standardfälteffekttransistorer (FET), men kommer att eftersträva enheter som använder ballistiska ledare och kvantinterferens. Vi är på väg rakt in i att använda elektronvågseffekterna i grafen."

Genom att dra nytta av vågegenskaperna kommer elektroner att kunna manipuleras med tekniker som liknar de som används av optiska ingenjörer. Till exempel, omkoppling kan utföras med hjälp av interferenseffekter – separering av elektronstrålar och sedan rekombination av dem i motsatta faser för att släcka signalerna.

Kvantenheter skulle vara mindre än konventionella transistorer och arbeta med lägre effekt. På grund av dess förmåga att transportera elektroner med praktiskt taget inget motstånd, epitaxiell grafen kan vara det idealiska materialet för sådana enheter, sa de Heer.

"Att använda elektronernas kvantegenskaper snarare än standardegenskaperna för laddade partiklar innebär att man öppnar upp nya sätt att se på elektronik, " förutspådde han. "Det här är förmodligen det sätt som elektronik kommer att utvecklas på, och det verkar som att grafen är det idealiska materialet för att göra denna övergång."

De Heers forskargrupp hoppas kunna demonstrera en rudimentär switch som fungerar på kvantinterferensprincipen inom ett år.

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

"Detta är ett viktigt steg i processen, ", tillade han. "Det kommer att bli många överraskningar när vi går in i dessa kvantenheter och tar reda på hur de fungerar. Vi har goda skäl att tro att detta kan vara grunden för en ny generation transistorer baserade på kvantinterferens."