Genom att tillverka grafenstrukturer ovanpå "steg" i nanometerskala etsade till kiselkarbid, forskare har för första gången skapat ett stort elektroniskt bandgap i materialet som är lämpligt för rumstemperaturelektronik. Användning av nanoskala -topografi för att styra grafens egenskaper kan underlätta tillverkning av transistorer och andra enheter, potentiellt öppna dörren för att utveckla integrerade kretsar helt i kol.

Forskare har mätt ett bandgap på cirka 0,5 elektronvolt i 1,4 nanometer böjda sektioner av grafen nanoband. Utvecklingen kan ge en ny riktning till området grafenelektronik, som har kämpat med utmaningen att skapa bandgap som är nödvändiga för drift av elektroniska enheter.

"Det här är ett nytt sätt att tänka på hur man gör höghastighetsgrafenelektronik, "sa Edward Conrad, en professor vid School of Physics vid Georgia Institute of Technology. "Vi kan nu se allvarligt på att göra snabba transistorer av grafen. Och eftersom vår process är skalbar, om vi kan göra en transistor, vi kan potentiellt tjäna miljoner av dem."

Fynden var planerade att rapporteras den 18 november i tidskriften Naturfysik . Forskningen, gjort vid Georgia Institute of Technology i Atlanta och på SOLEIL, den franska nationella synkrotronanläggningen, har fått stöd av National Science Foundations Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) vid Georgia Tech, W.M. Keck Foundation och Partner University Fund från Frankrikes ambassad.

Forskare förstår ännu inte varför grafen nanoband blir halvledande när de böjs för att gå in i små steg – cirka 20 nanometer djupa – som skärs in i kiselkarbidskivorna. Men forskarna tror att belastningen induceras när kolgitteret böjer sig, tillsammans med inneslutningen av elektroner, kan vara faktorer som skapar bandgapet. Nanoribonen består av två lager grafen.

Produktionen av de halvledande grafenstrukturerna börjar med användningen av e-balkar för att skära diken till kiselkarbidskivor, som normalt poleras för att skapa en plan yta för tillväxt av epitaxiell grafen. Med hjälp av en högtemperaturugn, tiotusentals grafenband odlas sedan över stegen, med hjälp av fotolitografi.

Under tillväxten de vassa kanterna på "diken" som skärs in i kiselkarbiden blir jämnare när materialet försöker återta sin plana yta. Tillväxttiden måste därför kontrolleras noggrant för att förhindra att de smala kiselkarbiddetaljerna smälter för mycket.

Grafentillverkningen måste också kontrolleras längs en specifik riktning så att kolatomgitteret växer in i stegen längs materialets "fåtölj" -riktning. "Det är som att försöka böja en längd av kedjelänksstängsel, Conrad förklarade. "Den vill bara böjas åt ett håll."

Den nya tekniken tillåter inte bara skapandet av en bandgap i materialet, men potentiellt även tillverkning av hela integrerade kretsar från grafen utan behov av gränssnitt som introducerar motstånd. På vardera sidan av den halvledande sektionen av grafen, nanoribonen behåller sina metalliska egenskaper.

"Vi kan göra tusentals av dessa skyttegravar, och vi kan göra dem var vi vill på rånet, "sa Conrad." Detta är mer än bara halvledande grafen. Materialet vid krökarna är halvledande, och det är fäst till grafen kontinuerligt på båda sidor. Det är i grunden en Shottky -barriärkorsning. "

Genom att odla grafen nerför ena kanten av diket och sedan upp på andra sidan, forskarna skulle i teorin kunna producera två sammankopplade Shottky-barriärer – en grundläggande komponent i halvledarenheter. Conrad och hans kollegor arbetar nu med att tillverka transistorer utifrån deras upptäckt.

Bekräftelsen av bandgapet kom från vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopimätningar som gjordes vid Synchrotron CNRS i Frankrike. Där, forskarna avfyrade kraftfulla fotonstrålar i arrayer av grafen-nanorband och mätte de emitterade elektronerna.

"Du kan mäta energin hos elektronerna som kommer ut, och du kan mäta riktningen från vilken de kommer ut, " sade Conrad. "Från den informationen, du kan arbeta bakåt för att få information om nanoribbons elektroniska struktur. "

Teoretiker hade förutspått att böjning av grafen skulle skapa ett bandgap i materialet. Men bandgapet uppmätt av forskargruppen var större än vad som hade förutspåtts.

Utöver att bygga transistorer och andra enheter, i det framtida arbetet kommer forskarna att försöka lära sig mer om vad som skapar bandgapet – och hur man kontrollerar det. Egenskapen kan styras av vinkeln på böjen i grafen nanorribbon, som kan kontrolleras genom att ändra stegets djup.

"Om du försöker lägga en matta över en liten defekt i golvet, mattan kommer att gå över den och du kanske inte ens vet att ofullkomligheten finns där, "Conrad förklarade." Men om du går över ett steg, du kan berätta. Det finns förmodligen ett antal höjder där vi kan påverka kurvan."

Han förutspår att upptäckten kommer att skapa ny aktivitet när andra grafenforskare försöker utnyttja resultaten.

"Om du kan demonstrera en snabb enhet, många människor kommer att vara intresserade av detta, "Sa Conrad." Om det här fungerar i stor skala, det kan lansera en nischmarknad för höghastighets, kraftfulla elektroniska enheter."