Under det senaste årtiondet, grafen har studerats intensivt för sin unika optiska, mekanisk, elektriska och strukturella egenskaper. De en-atom-tjocka kolskikten kan revolutionera sättet att elektroniska enheter tillverkas och leda till snabbare transistorer, billigare solceller, nya typer av sensorer och effektivare bioelektriska sensoriska enheter. Som en potentiell kontaktelektrod och sammankopplingsmaterial, grafen i wafer-skala kan vara en viktig komponent i mikroelektroniska kretsar, men de flesta grafentillverkningsmetoder är inte kompatibla med kiselmikroelektronik, vilket blockerar grafens språng från potentiellt underverk till verklig vinstmakare.

Nu forskare från Korea University, i Seoul, har utvecklat en enkel och mikroelektronik-kompatibel metod för att odla grafen och har framgångsrikt syntetiserat wafer-skala (fyra tum i diameter), hög kvalitet, flerskiktsgrafen på kiselsubstrat. Metoden är baserad på en jonimplantationsteknik, en process där joner accelereras under ett elektriskt fält och krossas i en halvledare. De påverkande jonerna förändrar det fysiska, kemiska eller elektriska egenskaper hos halvledaren.

I en artikel publicerad i veckan i tidningen Bokstäver i tillämpad fysik , från AIP Publishing, forskarna beskriver sitt arbete, vilket tar grafen ett steg närmare kommersiella applikationer inom kiselmikroelektronik.

"För att integrera grafen i avancerad kiselmikroelektronik, grafen med stor yta fri från rynkor, tårar och rester måste deponeras på kiselskivor vid låga temperaturer, vilket inte kan uppnås med konventionella grafensyntestekniker eftersom de ofta kräver höga temperaturer, " sa Jihyun Kim, teamledaren och en professor vid Institutionen för kemisk och biologisk teknik vid Korea University. "Vårt arbete visar att koljonimplantationstekniken har stor potential för direkt syntes av grafen i wafer-skala för integrerade kretsteknologier."

Upptäcktes för drygt ett decennium sedan, grafen anses nu vara den tunnaste, världens lättaste och starkaste material. Grafen är helt flexibelt och transparent samtidigt som det är billigt och giftfritt, och den kan leda elektricitet såväl som koppar, bär elektroner med nästan inget motstånd även vid rumstemperatur, en egenskap som kallas ballistisk transport. Graphens unika optiska, mekaniska och elektriska egenskaper har lett till att den enatomtjocka formen av kol har utropats som nästa generations material för snabbare, mindre, billigare och mindre strömkrävande elektronik.

"I kiselmikroelektronik, grafen är en potentiell kontaktelektrod och ett sammankopplingsmaterial som länkar samman halvledarenheter för att bilda de önskade elektriska kretsarna, ", sa Kim. "Detta gör hög bearbetningstemperatur oönskad, som temperaturinducerad skada, stammar, metallspik och oavsiktlig spridning av dopämnen kan förekomma."

Således, även om den konventionella grafenframställningsmetoden för kemisk ångdeponering används i stor utsträckning för syntesen av grafen på stora ytor på koppar- och nickelfilmer, metoden är inte lämpad för kiselmikroelektronik, eftersom kemisk ångavsättning skulle kräva en hög tillväxttemperatur över 1, 000 grader Celsius och en efterföljande överföringsprocess av grafen från metallfilmen till kislet.

"Det överförda grafenet på målsubstratet innehåller ofta sprickor, rynkor och föroreningar, "sa Kim." Således vi är motiverade att utveckla en överföringsfri metod för att direkt syntetisera hög kvalitet, flerskiktsgrafen i kiselmikroelektronik."

Kims metod bygger på jonimplantation, en mikroelektronikkompatibel teknik som normalt används för att införa föroreningar i halvledare. I processen, koljoner accelererades under ett elektriskt fält och bombarderades på en skiktad yta gjord av nickel, kiseldioxid och kisel vid temperaturen 500 grader Celsius. Nickelskiktet, med hög kollöslighet, används som katalysator för grafensyntes. Processen följs sedan av aktiveringsglödgning vid hög temperatur (cirka 600 till 900 grader Celsius) för att bilda ett bikakegitter av kolatomer, en typisk mikroskopisk struktur av grafen.

Kim förklarade att aktiveringsglödgningstemperaturen kunde sänkas genom att utföra jonimplantationen vid en förhöjd temperatur. Kim och hans kollegor studerade sedan systematiskt effekterna av glödgningsförhållandena på syntesen av hög kvalitet, flerskiktsgrafen genom att variera det omgivande trycket, omgivande gas, temperatur och tid under behandlingen.

Enligt Kim, jonimplantationstekniken erbjuder också finare kontroll över produktens slutliga struktur än andra tillverkningsmetoder, eftersom grafenskiktets tjocklek kan bestämmas exakt genom att kontrollera dosen av koljonimplantation.

"Vår syntesmetod är kontrollerbar och skalbar, tillåter oss att få grafen lika stor som kiselskivans storlek [över 300 millimeter i diameter], " sa Kim.

Forskarnas nästa steg är att ytterligare sänka temperaturen i syntesprocessen och att kontrollera tjockleken på grafenet för tillverkningsproduktion.