Att göra vågor som materialet som kommer att revolutionera elektroniken, grafen - sammansatt av ett enda lager kolatomer - har ändå varit utmanande att producera på ett sätt som är praktiskt för innovativa elektronikapplikationer. Forskare vid UC Santa Barbara har upptäckt en metod för att syntetisera grafen av hög kvalitet på ett kontrollerat sätt som kan bana väg för nästa generations elektronikapplikation.

Kaustav Banerjee, en professor vid avdelningen för el- och datateknik och direktör för Nanoelectronics Research Lab vid UCSB som har studerat kolnanomaterial i mer än sju år, ledde forskargruppen till perfekta metoder för odling av ark med grafen, som beskrivs i en studie som ska publiceras i tidningen November 2011 Kol .

"Vår process har vissa unika fördelar som ger upphov till grafen av hög kvalitet, "säger Banerjee." För elektronikindustrin att effektivt använda grafen, den måste först odlas selektivt och i större ark. Vi har utvecklat en syntesteknik som ger grafen av hög kvalitet och hög enhetlighet som kan översättas till en skalbar process för branschapplikationer. "

Använd tejp för att lyfta flingor av grafen från grafit, University of Manchester forskare Geim och Novoselov fick Nobelpriset i fysik 2010 för sin banbrytande isolering och karaktärisering av materialet. För att starta grafen i futuristiska applikationer, dock, forskare har sökt ett kontrollerat och effektivt sätt att odla en högre kvalitet på detta enkelatomtjocka material i större områden.

Upptäckten av UCSB-forskare gör grafenproduktion till en branschvänlig process genom att förbättra grafens kvalitet och enhetlighet med effektiva och reproducerbara metoder. De kunde kontrollera antalet producerade grafenlager-från monoskikt till tvåskiktsgrafen-en viktig skillnad för framtida applikationer inom elektronik och annan teknik.

"Intel har ett stort intresse för grafen på grund av många möjligheter för nästa generation av energieffektiva datorer, men det finns många avspärrningar längs vägen, "tillade Intel Fellow, Shekhar Borkar. "Den skalbara syntestekniken som utvecklats av professor Banerjees grupp vid UCSB är ett viktigt steg framåt."

Som material, grafen är den tunnaste och starkaste i världen - mer än 100 gånger starkare än diamant - och kan fungera som en ultimat ledare vid rumstemperatur. Om det kan produceras effektivt, grafens egenskaper gör den idealisk för framsteg inom grön elektronik, superstarka material, och medicinsk teknik. Grafen kan användas för att göra flexibla skärmar och elektroniska enheter, datorer med 1, 000 GHz -processorer som körs på praktiskt taget ingen energi, och ultraeffektiva solceller.

Nyckeln till UCSB -teamets upptäckt är deras förståelse för grafentillväxtkinetik under påverkan av substratet. Deras tillvägagångssätt använder en metod som kallas lågtrycks kemisk ångavsättning (LPCVD) och involverar sönderdelning av kolvätegasmetan vid en specifik hög temperatur för att bygga enhetliga kollager (som grafen) på ett förbehandlat kopparsubstrat. Banerjees forskargrupp etablerade en uppsättning tekniker som optimerade grafens enhetlighet och kvalitet, medan de kontrollerade antalet grafenlager växte de på deras substrat.

Enligt Dr Wei Liu, en postdoktoral forskare och medförfattare till studien, "Grafentillväxten påverkas starkt av ofullkomlighetsställen på kopparsubstratet. Genom korrekt behandling av kopparytan och exakt val av tillväxtparametrar, kvaliteten och enhetligheten hos grafen förbättras avsevärt och antalet grafenskikt kan kontrolleras. "

Professor Banerjee och krediterade författare Wei Liu, Hong Li, Chuan Xu och Yasin Khatami är inte det första forskargruppen som gjorde grafen med hjälp av CVD -metoden, men de är de första som framgångsrikt förädlar kritiska metoder för att odla en hög kvalitet på grafen. Förr, en viktig utmaning för CVD -metoden har varit att den ger en lägre kvalitet av grafen när det gäller bärarmobilitet - eller hur bra den leder elektroner. "Vår grafen uppvisar den högsta rapporterade fälteffektrörligheten hittills för CVD-grafen, med ett medelvärde på 4000 cm2/V.s med det högsta toppvärdet vid 5500 cm2/V.s. Detta är ett extremt högt värde jämfört med kiselens rörlighet. "Tillade Hong Li, en doktorsexamen kandidat i Banerjees forskargrupp.

"Kaustav Banerjees grupp leder forskningsinsatser inom grafen -nanoelektronik vid UCSB, från materialsyntes till enhetsdesign och kretsutforskning. Hans arbete har gett vårt campus unika och mycket kraftfulla funktioner, "tillade David Awschalom, Professor i fysik, El- och datorteknik, och direktör för California NanoSystems Institute (CNSI) vid UCSB där Banerjees laboratorium ligger. "Den här nya anläggningen har också ökat våra möjligheter till samarbeten inom olika vetenskaps- och ingenjörsgrenar."

"Det råder ingen tvekan om att grafen är ett överlägset material. Egentligen är det fantastiskt, "säger Banerjee." Det är upp till oss, forskarna och ingenjörerna, för att visa hur vi kan använda grafen och utnyttja dess kapacitet. Det finns utmaningar i hur man odlar det, hur man överför eller inte överför och mönstrar det, och hur man skräddarsyr dess egenskaper för specifika applikationer. Men dessa utmaningar är bördiga grunder för spännande forskning i framtiden. "