Detta är konceptkonst av kristallstrukturen (ovanifrån) av AB-staplad tvåskiktsgrafen. Kredit:Peter Allen, UCSB
Forskare vid University of California, Santa Barbara, i samarbete med Rice University, har nyligen demonstrerat en snabbsyntesteknik för stora Bernal (eller AB) staplade tvåskiktsgrafenfilmer som kan öppna upp nya vägar för digital elektronik och transparenta ledningstillämpningar.
Uppfinningen inkluderar också den första demonstrationen av en tvåskiktsgrafen-dubbelgrindsfälteffekttransistor (FET), visar rekord PÅ/AV-transistoromkopplingsförhållande och bärarmobilitet som kan driva framtida ultralåg effekt och lågkostnadselektronik.
Grafen är den tunnaste kända (~ 0,5 nanometer per lager) tvådimensionell atomkristall. Det har väckt stort intresse på grund av dess lovande elektriska och termiska egenskaper och potentiella tillämpningar inom elektronik och fotonik. Dock, många av dessa applikationer begränsas avsevärt av grafens nollbandsklyfta som resulterar i läckande transistorer som inte är lämpliga för digital elektronik.
"Förutom dess atomiskt släta ytor, ett avsevärt bandgap på upp till ~0,25 eV kan öppnas upp i tvåskiktsgrafen genom att skapa en potentialskillnad mellan de två lagren, och därmed bryta den inneboende symmetrin, om de två lagren kan anpassas längs en viss (Bernal eller AB) orientering" förklarade Kaustav Banerjee, professor i elektro- och datateknik och chef för Nanoelectronics Research Lab vid UCSB. "De dubbelgrindade transistorerna var speciellt utformade för att möjliggöra en sådan potentialskillnad mellan lagren genom en av grindarna, medan den andra grinden modulerade bärvågorna i kanalen, " tillade han. Banerjees forskargrupp inkluderar också UCSB-forskare Wei Liu, Stephan Kraemer, Deblina Sarkar, Hong Li och professor Pulickel Ajayan från Rice University. Deras studie publicerades nyligen i Materialkemi .
Detta är konceptkonst av en schematisk bild av en AB-staplad grafenfilm syntetiserad av UC Santa Barbara-forskare med hjälp av en stökiometrikonstruerad bifunktionell legeringskatalysator. Kredit:Peter Allen, UCSB
Grafenfilmerna odlades på ett deterministiskt sätt med hjälp av en konstruerad bifunktionell (Cu:Ni) legeringsyta vid en relativt låg temperatur på 920 °C. Stort område (> 3 tum x 3 tum) Bernal (eller AB) staplad tvåskiktsgrafentillväxt demonstrerades inom några minuter och med nästan 100 % täckning. Dubbelskiktsgrafenfilmerna uppvisade elektronrörlighet så hög som 3450 cm2/(V*s), som är jämförbar med den för exfolierad tvåskiktsgrafen, vilket bekräftar mycket hög kvalitet. Kvaliteten på odlad grafen bekräftades ytterligare genom demonstration av högpresterande FET:er med rekord PÅ/AV-förhållande som är ett nyckelkrav i digital elektronik med låg effekt.
"Att uppnå ytkatalytisk grafentillväxtläge och exakt kontroll av ytans kolkoncentration var nyckelfaktorer för den gynnsamma tillväxtkinetiken för AB staplad dubbelskiktsgrafen, "förklarade Wei Liu, en postdoktor i Banerjees grupp och medförfattare till artikeln. Under 2011, Banerjees grupp demonstrerade en storskalig grafisk syntesmetod i ett lager med användning av ett kopparsubstrat som katalysator.
Bilags grafen ligger nära monoskikt grafen när det gäller filmtjockleken med en sexkantig atomstruktur och kan härledas från dess skiktade bulkform (grafit) där angränsande lager hålls samman av relativt svaga van der Waals -krafter. "Dock, förutom dess bandgap tunerbarhet, tvåskiktsgrafen har några viktiga fördelar jämfört med enskiktsgrafen. Den har högre densitet av tillstånd och lider mycket mindre av gränssnittseffekter, som är fördelaktiga för att förbättra den nuvarande bärförmågan, "Fortsatte Liu.
"Denna demonstration är mycket imponerande och borde ha långtgående konsekvenser för hela 2D-materialgemenskapen, " kommenterade professor Ali Javey, vid University of California, Berkeley och meddirektör för Bay Area Photovoltaic Consortium (BAPVC).
