grafen, ett atomtjockt material med extraordinära egenskaper, är en lovande kandidat för nästa generation av dramatiskt snabbare, mer energieffektiv elektronik. Dock, forskare har kämpat för att tillverka materialet i ultratunna remsor, kallade nanoband, som skulle kunna möjliggöra användningen av grafen i högpresterande halvledarelektronik.

Nu, Ingenjörer från University of Wisconsin-Madison har upptäckt ett sätt att odla grafen-nanoribon med önskvärda halvledande egenskaper direkt på en konventionell germanium-halvledarskiva. Detta genombrott skulle kunna göra det möjligt för tillverkare att enkelt använda grafen nanoband i integrerade hybridkretsar, som lovar att avsevärt öka prestandan för nästa generations elektroniska enheter. Denna teknik kan också ha specifika användningsområden för industriella och militära tillämpningar, såsom sensorer som upptäcker specifika kemiska och biologiska arter och fotoniska enheter som manipulerar ljus.

I en tidning publicerad den 10 augusti, 2015 i tidningen Naturkommunikation , Michael Arnold, en docent i materialvetenskap och teknik vid UW-Madison, Doktorand Robert Jacobberger, och deras medarbetare beskriver deras nya tillvägagångssätt för att producera grafen nanoband. Viktigt, deras teknik kan lätt skalas för massproduktion och är kompatibel med den rådande infrastrukturen som används vid halvledarbearbetning.

"Graphene nanoribbons som kan odlas direkt på ytan av en halvledare som germanium är mer kompatibla med plan bearbetning som används i halvledarindustrin, och så det skulle vara mindre hinder för att integrera dessa riktigt utmärkta material i elektronik i framtiden, säger Arnold.

grafen, ett ark med kolatomer som bara är en atom i tjocklek, leder elektricitet och avleder värme mycket mer effektivt än kisel, det material som oftast finns i dagens datorchips. Men för att utnyttja grafens anmärkningsvärda elektroniska egenskaper i halvledarapplikationer där ström måste slås på och av, grafen nanoband måste vara mindre än 10 nanometer breda, vilket är fenomenalt smalt. Dessutom, nanoribbonen måste ha släta, väldefinierade "fåtölj"-kanter där kol-kolbindningarna är parallella med bandets längd.

Forskare har vanligtvis tillverkat nanoband genom att använda litografiska tekniker för att skära större ark av grafen till band. Dock, denna "top-down" fabrikationsmetod saknar precision och producerar nanoribbons med mycket grova kanter.

En annan strategi för att göra nanoband är att använda en "bottom-up"-metod som ytassisterad organisk syntes, där molekylära prekursorer reagerar på en yta för att polymerisera nanoband. Arnold säger att ytassisterad syntes kan producera vackra nanoribbon med exakt, mjuka kanter, men den här metoden fungerar bara på metallsubstrat och de resulterande nanorbanden är därför alldeles för korta för användning i elektronik.

För att övervinna dessa hinder, UW-Madison-forskarna var banbrytande för en bottom-up-teknik där de odlar extremt smala nanoribon med släta, raka kanter direkt på germaniumskivor med en process som kallas kemisk ångavsättning. I denna process, forskarna börjar med metan, som adsorberar till germaniumytan och sönderdelas till olika kolväten. Dessa kolväten reagerar med varandra på ytan, där de bildar grafen.

Arnolds team fick sitt genombrott när det utforskade att dramatiskt bromsa tillväxthastigheten för grafenkristallerna genom att minska mängden metan i den kemiska ångavsättningskammaren. De fann att med en mycket långsam tillväxttakt, grafenkristallerna växer naturligt till långa nanoribon på en specifik kristallfasett av germanium. Genom att helt enkelt kontrollera tillväxttakten och tillväxttiden, forskarna kan enkelt ställa in nanobandets bredd till mindre än 10 nanometer.

"Vad vi har upptäckt är att när grafen växer på germanium, det bildar naturligt nanorband med dessa mycket släta, fåtöljekanter, "Säger Arnold." Bredderna kan vara mycket, mycket smal och längderna på banden kan vara mycket långa, så alla de önskvärda funktionerna vi vill ha i grafen nanorribbons sker automatiskt med denna teknik."

Nanoribonen som produceras med denna teknik börjar kärnbildning, eller växer, på till synes slumpmässiga ställen på germaniumet och är orienterade i två olika riktningar på ytan. Arnold säger att teamets framtida arbete kommer att omfatta att kontrollera var bandet börjar växa och anpassa dem alla i samma riktning.