(PhysOrg.com) - Nanoteknikforskare vid Georgia Institute of Technology har genomfört den första direkta jämförelsen av två grundläggande tekniker som kan användas för kemisk dopning av ark av tvådimensionell grafen för tillverkning av enheter och sammankopplingar.

Kemisk dopning används rutinmässigt i konventionella tredimensionella halvledare för att kontrollera densiteten hos elektronbärare som är väsentliga för driften av enheter såsom transistorer. Men grafen, en halvmetall tillgänglig i ark som bara är en atom tjock, har egenskaper som skiljer sig mycket från traditionella material som kisel – även om forskare säger att dopning fortfarande kommer att behövas för att tillverka elektroniska enheter.

Den dåliga nyheten är att elektroniska formgivare som arbetar med grafen inte helt enkelt kommer att kunna tillämpa vad de har gjort med tredimensionella halvledare-vilket skulle översättas till väsentligt försämrad materialkvalitet för grafen. De goda nyheterna, enligt studien, är att grafendopning kan kombineras med andra processer - och behöver endast appliceras på kanterna på nanoskala strukturer som tillverkas.

"Vi lär oss hur man manipulerar dessa tvådimensionella ark av kolatomer för att få några mycket ovanliga resultat som inte är tillgängliga med något annat material, ”Sa James Meindl, chef för Georgia Techs Nanotechnology Research Center, där forskningen utfördes. "Dopning av grafen för att försöka påverka dess egenskaper är viktigt för att kunna använda det effektivt."

Detaljer om forskningen publicerades online i tidskriften Kol den 29 oktober. Forskningen stöddes av Semiconductor Research Corporation (SRC), Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) genom Interconnect Focus Center, och National Science Foundation (NSF).

Eftersom grafenark innehåller så få atomer per yta, substitutionen av element som syre eller kväve mot kolatomer i gallret - som vid konventionell dopning - försämrar den höga elektronrörligheten och andra egenskaper som gör materialet intressant. Så forskarna omprövar dopingprocessen för att dra nytta av grafens unika egenskaper.

"När vi arbetar med en tredimensionell halvledare, vi bädda in dopmedelsarterna i bulkmaterialet och tillverkar det sedan till en enhet, sa Kevin Brenner, en forskarassistent vid Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering. "Med grafen, vi dopar materialet när vi bearbetar det och tillverkar det till enheter eller sammankopplingar. Doping kan göras som en del av andra tillverkningssteg som plasmaetsning, och det kommer att kräva att vi återuppfinner hela processen. ”

Använd ark av exfolierad grafen, Brenner och medarbetare Raghu Murali och Yinxiao Yang utvärderade effektiviteten av två olika tekniker:kantpassivering genom att koppla elektronstrålelitografi med ett vanligt resistmaterial, och adsorption från beläggning av materialets yta. De fann att kantbehandlingen, som kemiskt reagerar med defekter som uppstår när materialet skärs, var tusen gånger effektivare att producera bärare i grafenarken än ytbehandlingen.

"Vi kommer bara att arbeta med kanterna på materialet, ”Förklarade Brenner. ”Det gör att vi kan lämna mitten orörd och fri från defekter. Med denna metod, vi kan bibehålla mycket höga rörligheter och grafenens speciella egenskaper samtidigt som vi skapar mycket höga bärartätheter."

På grund av grafenens tvådimensionella natur, styrning av kantkemin kan ge kontroll över arkets bulkegenskaper. "I nanoskala dimensioner, kantatomerna tenderar att dominera över ytabsorptionstekniker, ”Tillade han. "Med en sju nanometer gånger sju nanometer grafenanordning, passivering av bara en kant C-atom ger dopingmotsvarigheten av att täcka hela ytan."

För dopning av kanten av en grafenstruktur, teamet applicerade en tunn film av vätesilsesquioxan (HSQ), en kemikalie som normalt används som resist för etsning, använde sedan elektronstråle litografi för att tvärbinda materialet, som tillförde syreatomer till kanterna för att skapa dopning av p-typ. Resist- och elektronstrålesystemet kombineras för att ge nanometerskala kontroll över var de kemiska förändringarna ägde rum.

Dopbehandling kan också appliceras med plasmaetsning, sa Brenner. Kontrollera de specifika atomer som används i plasma, eller utföra etsningsprocessen i en miljö som innehåller specifika atomer, kunde driva dessa atomer in i kanterna där de skulle fungera som dopmedel.

"När du skapar en kant, du har skapat en plats där du kan passivera med ett dopmedel, ” lade han till. "Istället för att behöva bädda in den i ytan, du kan bara ta kanten som redan finns där och passivisera den med syre, kväve, väte eller annat dopmedel. Det kan vara nästan en enkel process eftersom dopningen kan göras som en del av ett annat steg.”

Utöver att tillverka elektroniska enheter, Forskare från Nanotechnology Research Center är intresserade av att använda grafen för sammankopplingar, eventuellt som ersättning för koppar. När sammankopplingsstrukturer blir mindre och mindre, kopparns resistivitet ökar. Kantdopade grafenark uppvisar en trend att öka dopningen med reducerade dimensioner, blir möjligen mer ledande när deras storlek krymper under 50 nanometer, vilket gör dem attraktiva för sammankopplingar i nanoskala.

Beväpnad med grundläggande information om grafendopning, forskarna hoppas kunna börja producera enheter för att studera hur grafen faktiskt fungerar.

"Nu när vi har börjat förstå hur man dopar materialet, nästa steg är att börja lägga in detta i enheter i nanoskala, sa Brenner. "Vi vill se vilken typ av prestation vi kan få. Det kan berätta för oss var grafenens nisch kan vara som elektroniskt material."

Meindl, som har arbetat med kisel sedan de integrerade kretsarnas gryning, säger att det är för tidigt att förutsäga var grafen i slutändan kommer att hitta kommersiella applikationer. Men han säger att materialets egenskaper är för intressanta för att inte utforskas.

"Möjligheterna är att något mycket intressant och unikt kommer att utvecklas från användningen av grafen, " sa han. "Men vi har ännu inte förmågan att förutsäga vad vi kommer att kunna göra med detta nya material."