(Phys.org) -- Grafen är undermaterialet som kan lösa problemet med att göra allt snabbare datorer och mindre mobila enheter när nuvarande kiselmikrochipsteknik träffar en oundviklig vägg. grafen, ett enda lager av kolatomer i ett tätt hexagonalt arrangemang, har undersökts mycket på grund av dess otroliga elektroniska egenskaper, med teoretiska hastigheter 100 gånger högre än kisel. Men att lägga materialet i ett mikrochip som skulle kunna överträffa nuvarande kiselteknologi har visat sig svårt.

Svaret kan ligga i nya system i nanoskala baserade på ultratunna lager av material med exotiska egenskaper. Kallas tvådimensionella skiktade material, dessa system kan vara viktiga för mikroelektronik, olika typer av överkänsliga sensorer, katalys, vävnadsteknik och energilagring. Forskare vid Penn State har använt ett sådant 2D-lagermaterial, en kombination av grafen och hexagonal bornitrid, att producera förbättrad transistorprestanda i en industriellt relevant skala.

"Andra grupper har visat att grafen på bornitrid kan förbättra prestandan två till tre gånger, men inte på ett sätt som skulle kunna skalas upp. För första gången, vi har kunnat ta detta material och använda det för att göra transistorer i waferskala, sa Joshua Robinson, biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Penn State och motsvarande författare på ett papper som rapporterar sitt arbete i onlineversionen av tidskriften ACS Nano .

I artikeln, Penn State-teamet beskriver en metod för att integrera ett tunt lager grafen som endast är en eller två atomer tjockt, med ett andra lager av hexagonal bornitrid (hBN) med en tjocklek av några få atomer upp till flera hundra atomer. Det resulterande dubbelskiktsmaterialet utgör nästa steg i att skapa funktionella grafenfälteffekttransistorer för högfrekventa elektroniska och optoelektroniska enheter.

Tidigare forskning från andra grupper har visat att ett vanligt material som kallas hexagonal bornitrid (hBN), en syntetisk blandning av bor och kväve som används som industriellt smörjmedel och som finns i många kosmetika, är en potentiell ersättning för kiseldioxid och andra högpresterande dielektrikum som inte har lyckats integreras väl med grafen. Eftersom bor sitter bredvid kol i det periodiska systemet, och hexagonal bornitrid har ett liknande arrangemang av atomer som grafen, de två materialen matchar väl elektroniskt. Faktiskt, hBN kallas ofta för vit grafen. Att vara av mer än akademiskt intresse i labbet, dock, hBN-grafen-dubbelskiktet måste odlas i wafer-skala – från cirka 3 tum (75 mm) till nästan 12 tum (300 mm).

Penn State-teamet löste detta problem genom att använda en tidigare teknik utvecklad i deras labb för att producera en uniform, stort område, och högkvalitativt lager av epitaxiell grafen lämplig för högfrekvensapplikationer. Denna "kvasi-fristående epitaxiala grafen" producerades genom att fästa väteatomer till grafenen för att "passivera hängande bindningar, ” i huvudsak platta till och jämna ut grafenfilmen. Den hexagonala bornitriden odlades sedan på ett övergångsmetallsubstrat med användning av en kemisk ångavsättningsteknik som är standard vid tillverkning. hBN frigjordes från substratet via en av flera överföringsprocesser och skiktades ovanpå grafenet på en 75 mm wafer, markerar den första integrationen av epitaxiell grafen med hBN i en skala som är kompatibel med industrins behov.

Bygger på deras tidigare arbete med epitaxiell grafen, som redan hade ökat transistorns prestanda med två till tre gånger, denna forskning lägger till ytterligare två till tre gånger förbättring av prestanda och visar den starka potentialen för att använda grafen i elektronik, enligt Robinson. Inom en snar framtid, Penn State-teamet hoppas kunna demonstrera grafenbaserade integrerade kretsar och högpresterande enheter som är lämpliga för tillverkning i industriell skala på 100 mm wafers.

"Vi använder all standard litografi, vilket är viktigt för nanotillverkning, ” tillade Robinson. För att göra ett inhopp i den mycket konkurrensutsatta mikrochipsindustrin, ett nytt materialsystem måste vara kompatibelt med nuvarande processteknik samt erbjuda en betydande prestandahöjning.

Bornitrid-grafen är ett av flera kommande tvådimensionella skiktsystem vars egenskaper i nanoskala bara börjar upptäckas. Dimensionalitet, enligt Nobelpristagarna Novoselov och Geim, är en av de mest definierande materialparametrarna och kan ge upphov till dramatiskt olika egenskaper beroende på om materialstrukturen är 0-D, 1-D, 2D eller 3D. Penn State är bland pionjärerna på väg in i vad som kan visa sig vara en ny gräns för materialvetenskap.

Förutom Robinson, medförfattarna till ACS Nano-artikeln är Michael Bresnehan, Matthew Hollander, Maxwell Wetherington, Michael LaBella, Kathleen Trumbull, Randal Cavalero, och David Snyder, hela Penn State. Arbetet stöddes av Naval Surface Warfare Center Crane, och instrumenteringsstöd tillhandahölls av National Nanotechnology Infrastructure Network i Penn State.