I en utveckling som skulle kunna revolutionera elektroniska kretsar, ett forskarlag från University of Wisconsin i Madison (UW) och U.S. Department of Energy's Argonne National Laboratory har bekräftat ett nytt sätt att kontrollera tillväxtvägarna för grafennanorribbons på ytan av en germainumkristall.

Germanium är en halvledare och denna metod ger ett enkelt sätt att göra halvledande kretsar i nanoskala från grafen, en form av kol endast en atom tjock.

Metoden upptäcktes av UW-forskare och bekräftades i tester vid Argonne.

"Vissa forskare har velat göra transistorer av kolnanorör men problemet är att de växer i alla möjliga riktningar, ", sa Brian Kiraly från Argonne. "Innovationen här är att du kan odla dessa längs kretsvägar som fungerar för din teknik."

UW-forskare använde kemisk ångavsättning för att odla grafen nanoband på germaniumkristaller. Denna teknik flyter en blandning av metan, väte och argongaser in i en rörugn. Vid höga temperaturer, metan sönderdelas till kolatomer som sätter sig på germaniumets yta för att bilda ett enhetligt grafenark. Genom att justera kammarens inställningar, UW-teamet kunde utöva mycket exakt kontroll över materialet.

"Vad vi har upptäckt är att när grafen växer på germanium, det bildar naturligt nanorband med dessa mycket släta, fåtöljekanter, sa Michael Arnold, en docent i materialvetenskap och teknik vid UW-Madison. "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."

grafen, en atomtjock, tvådimensionell skiva av kolatomer, är känd för att flytta elektroner blixtsnabbt över dess yta utan störningar. Denna höga rörlighet gör materialet till en idealisk kandidat för snabbare, mer energieffektiv elektronik.

Dock, halvledarindustrin vill få kretsar att starta och stoppa elektroner efter behag via bandgap, som de gör i datachips. Som en halvmetall, grafen har naturligtvis inga bandluckor, vilket gör det till en utmaning för bred industriantagande. Tills nu.

För att bekräfta dessa fynd, UW-forskare gick till Argonne-personalforskarna Brian Kiraly och Nathan Guisinger vid Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science User Facility belägen i Argonne.

"Vi har några mycket unika möjligheter här på Center for Nanoscale Materials, ", sa Guisinger. "Inte bara är våra anläggningar utformade för att fungera med alla olika sorters material från metaller till oxider, vi kan också karakterisera, odla och syntetisera material."

Med hjälp av skanningstunnelmikroskopi, en teknik som använder elektroner (istället för ljus eller ögonen) för att se egenskaperna hos ett prov, forskare bekräftade förekomsten av grafen nanoband som växer på germanium. Data som samlats in från elektronsignaturerna gjorde det möjligt för forskarna att skapa bilder av materialets dimensioner och orientering. Dessutom, de kunde bestämma dess bandstruktur och i vilken utsträckning elektronerna spreds genom materialet.

"Vi tittar på grundläggande fysiska egenskaper för att verifiera att det är faktiskt, grafen och det visar några karakteristiska elektroniska egenskaper, " sa Kiraly. "Det som är ännu mer intressant är att dessa nanoband kan fås att växa i vissa riktningar på ena sidan av germaniumkristallen, men inte de andra två sidorna."

För användning i elektroniska enheter, halvledarindustrin är främst intresserad av tre ytor av en germaniumkristall. Avbildar dessa ansikten i termer av koordinater (X, Y, Z), där enstaka atomer ansluter till varandra i en diamantliknande rutnätsstruktur, varje yta av en kristall (1, 1, 1) kommer att ha axlar som skiljer sig från en (1, 1, 0) till den andra (1, 0, 0).

Tidigare forskning visar att grafenskivor kan växa på germaniumkristallytor (1, 1, 1) och (1, 1, 0). Dock, detta är första gången någon studie har registrerat tillväxten av grafen nanoband på (1, 0, 0) ansikte.

När deras undersökningar fortsätter, forskare kan nu fokusera sina ansträngningar på exakt varför självstyrda grafen nanoband växer på (1, 0, 0) inse och avgöra om det finns någon unik interaktion mellan germanium och grafen som kan spela en roll.