Ett team av forskare från National University of Singapore (NUS), ledd av professor Loh Kian Ping, som leder institutionen för kemi vid NUS naturvetenskapliga fakulteten, har framgångsrikt utvecklat en innovativ enstegsmetod för att odla och överföra högkvalitativt grafen på kisel och andra styva substrat, öppnar upp möjligheter för grafen att användas i högvärdiga applikationer som för närvarande inte är tekniskt genomförbara.

Detta genombrott, inspirerade av hur skalbaggar och lövgrodor håller fötterna fästa vid nedsänkta löv, är den första publicerade tekniken som åstadkommer både tillväxt- och överföringsstegen för grafen på en kiselskiva. Denna teknik möjliggör den tekniska tillämpningen av grafen i fotonik och elektronik, för enheter som optoelektroniska modulatorer, transistorer, on-chip biosensorer och tunnelbarriärer.

Innovationen publicerades först online i en prestigefylld vetenskaplig tidskrift Natur den 11 december 2013.

Efterfrågan på grafen i kiselbaserade industrier

Grafen har rönt mycket uppmärksamhet de senaste åren på grund av dess enastående elektroniska, optiska och mekaniska egenskaper, samt dess användning som transparenta ledande filmer för pekskärmspaneler av elektroder. Dock, produktionen av högkvalitativa wafer-skala grafenfilmer omges av många utmaningar, bland annat saknas en teknik för att odla och överföra grafen med minimala defekter för användning i halvledarindustrier.

Sa Prof Loh, som också är huvudutredare vid Graphene Research Center vid NUS Naturvetenskapliga fakulteten, "Även om det finns många potentiella tillämpningar för flexibel grafen, man måste komma ihåg att hittills, de flesta halvledare arbetar på "styva" substrat som kisel och kvarts."

"Den direkta tillväxten av grafenfilm på kiselwafer är användbar för att möjliggöra flera optoelektroniska applikationer, men nuvarande forskningsansträngningar förblir grundade på proof-of-concept-stadiet. En överföringsmetod som betjänar detta marknadssegment behövs definitivt, och har försummats i hypen efter flexibla enheter, ", tillade prof Loh.

Inspiration från skalbaggar och lövgrodor

För att komma till rätta med den nuvarande tekniska klyftan, NUS-teamet under ledning av prof Loh drog sina ledtrådar från hur skalbaggar och lövgrodor håller sina fötter fästa vid helt nedsänkta löv, och utvecklade en ny process som kallas "ansikte mot ansikte-överföring".

Dr Gao Libo, den första författaren till artikeln och en forskare vid Graphene Research Center vid NUS Naturvetenskapliga fakulteten, odlade grafen på ett kopparkatalysatorskikt som täckte ett kiselsubstrat. Efter tillväxt, koppar etsas bort medan grafenet hålls på plats av bubblor som bildar kapillärbryggor, liknande de som ses runt fötterna på skalbaggar och lövgrodor fästa vid nedsänkta löv. Kapillärbryggorna hjälper till att hålla grafenen på kiselytan och förhindrar dess delaminering under etsningen av kopparkatalysatorn. Grafenen fäster sedan på kiselskiktet.

För att underlätta bildandet av kapillärbroar, ett förbehandlingssteg som involverade injicering av gaser i skivan applicerades av Dr Gao. Detta hjälper till att modifiera egenskaperna hos gränsytan och underlättar bildandet av kapillärbryggor under infiltrationen av en katalysatorborttagande vätska. Samtillsatsen av ytaktivt medel hjälper till att stryka ut alla veck och veck som kan skapas under överföringsprocessen.

Industriella tillämpningar och nya insikter

Denna nya teknik för att odla grafen direkt på kiselskivor och andra styva substrat kommer att vara mycket användbar för utvecklingen av snabbt framväxande grafen-på-kisel-plattformar, som har visat ett lovande utbud av tillämpningar. Metoden "ansikte-mot-ansikte-överföring" som utvecklats av NUS-teamet är också mottaglig för batchbearbetade halvledarproduktionslinjer, såsom tillverkning av storskaliga integrerade kretsar på kiselskivor.

För att främja sin forskning, Prof Loh och hans team kommer att optimera processen för att uppnå hög genomströmning av grafen med stor diameter på kisel, samt inrikta sig på specifika grafen-aktiverade applikationer på kisel. Teamet tillämpar också teknikerna på andra tvådimensionella filmer. Samtal pågår nu med potentiella branschpartners.