Den här svepelektronmikroskopbilden visar individuella "kristallkorn" i en samling av ett material som kallas grafen. Forskare har utvecklat en metod för att skapa arrayerna, ett framsteg som öppnar för möjligheten att ersätta kisel i högpresterande datorer och elektronik. (Bildvård från University of Houston)
(PhysOrg.com) - Forskare har utvecklat en metod för att skapa enkristallmatriser av ett material som kallas grafen, ett framsteg som öppnar möjligheten till en ersättning för kisel i högpresterande datorer och elektronik.
Grafen är ett enatomtjockt lager av kol som leder elektricitet med lite motstånd eller värmeutveckling. Arrayerna kan möjliggöra en ny klass av höghastighetstransistorer och integrerade kretsar som förbrukar mindre energi än konventionell kiselelektronik.
De nya rönen representerar ett framsteg mot att fullända en metod för att tillverka stora mängder enkristaller av materialet, liknande produktionen av kiselwafers.
"Graphene är inte där än, när det gäller massproduktion av hög kvalitet som kisel, men detta är ett mycket viktigt steg i den riktningen, " sa Yong P. Chen, motsvarande författare för den nya studien och Miller Family Assistant Professor of Nanoscience and Physics vid Purdue University.
Andra forskare har odlat enkristaller av grafen, men inga andra har visat hur man skapar ordnade arrayer, eller mönster som skulle kunna användas för att tillverka kommersiella elektroniska enheter och integrerade kretsar.
De hexagonala enkristallerna initieras från grafit "frön" och odlas sedan ovanpå en kopparfolie inuti en kammare som innehåller metangas med hjälp av en process som kallas kemisk ångavsättning. Fröväxtmetoden, kritiska till de nya rönen, uppfanns av Qingkai Yu, motsvarande författare för studien och en biträdande professor vid Texas State Universitys Ingram School of Engineering.
"Att använda dessa frön, vi kan odla en ordnad uppsättning av tusentals eller miljoner enkla kristaller av grafen, sa Yu, som var pionjär med metoden medan han var forskare vid University of Houston. "Vi hoppas att industrin kommer att titta på dessa resultat och överväga de beställda arrayerna som ett möjligt sätt att tillverka elektroniska enheter."
Resultaten beskrivs i ett forskningsdokument som visas online denna vecka och i juninumret av Naturmaterial . Arbetet utfördes av forskare vid Purdue, University of Houston, Texas State University, Brookhaven National Laboratory, Argonne National Laboratories och Carl Zeiss SMT Inc.
Grafen skapas för närvarande i "polykristallina" ark som består av slumpmässigt placerade och oregelbundet formade "korn" sammanfogade. Att ha en ordnad array betyder att positionerna för varje kristall är förutsägbara, och inte slumpmässiga eftersom de är i polykristallin film.
Matriserna gör det möjligt för forskare att exakt placera elektroniska enheter i varje korn, som är en enkristall med en sömlös gitterstruktur som förbättrar elektriska egenskaper, sa Eric Stach, en forskare vid Brookhaven och tidigare Purdue-professor i materialteknik.
De nya forskningsrönen bekräftade en teori om att flödet av elektroner hindras vid den punkt där ett korn möter ett annat. Uppsättningarna av enkristallkorn skulle kunna eliminera det problemet.
Forskarna visade att de kunde kontrollera tillväxten av de ordnade arrayerna; var de första att demonstrera de elektroniska egenskaperna hos individuella korngränser; och de fann att kanterna på ett enda hexagonalt kristallkorn är parallella med väldefinierade riktningar i grafens atomgitter, avslöjar orienteringen för varje kristall.
Att känna till orienteringen är nödvändigt för att mäta de exakta egenskaperna hos kristallerna, tillhandahålla information som behövs för att skapa bättre elektroniska enheter. För att bestämma orienteringen av grafengittret, forskarna använde två typer av avancerade mikroskopitekniker som kallas transmissionselektronmikroskopi och sveptunnelmikroskopi. Teknikerna gav extremt högupplösta bilder av enskilda kolatomer som bildar grafen.
De elektroniska egenskaperna över korngränserna mättes med hjälp av små elektroder kopplade till två angränsande korn.
Fynden visade ett högre elektriskt motstånd vid korngränserna och visade också att gränserna hindrar elektrisk ledning på grund av spridning av elektroner. Det fyndet korrelerades med en annan teknik som kallas Raman-spektroskopi.
Uppsatsen skrevs av Yu och Purdue doktorand Luis A. Jauregui, Houston doktorand Wei Wu, Purdue doktorand Robert Colby, Purdue postdoktoral forskare Jifa Tian, tillsammans med 12 andra forskare inklusive Stach och Chen.
