Interaktionerna mellan grafen och dess miljö har ett betydande inflytande på halvledarindustrins användning av detta lovande material. Tack vare de omfattande resultaten av ett internationellt forskningsprojekt, dessa interaktioner är nu bättre förstådda och kan kontrolleras som ett resultat.

Grafen är ett atomtunt lager av kol. Tack vare dess unika strukturella och elektroniska egenskaper, materialet har en enorm potential och är i fokus för höga förväntningar - dock konkreta användningar och tillämpningar har ännu inte blivit verklighet. Som så ofta är fallet när det gäller hållbar tillämpning, djävulen är i detaljerna. Ett projekt som finansieras av den österrikiska vetenskapsfonden FWF har lyckats komma till rätta med några av dessa detaljer.

Inriktning på halvledare

"Enskilda komponenter baserade på grafen har redan enastående egenskaper, "förklarar projektledaren Thomas Pichler från avdelningen Electronic Properties of Materials vid universitetet i Wien." Men det stora genombrottet i dess tillämpning som en integrerad elektronisk komponent har ännu inte kommit. Det har helt enkelt inte varit möjligt att använda detta material för etablerad halvledarteknologi på ett sätt som kan replikeras tillförlitligt." Ett av de största hindren är bristen på kontroll av grafeninteraktioner med sin omgivning på atomnivå. det har varit nästan omöjligt att distribuera materialet på ett förutsägbart och riktat sätt. Även interaktionen mellan grafen och substratet, på vilken den måste appliceras på grund av dess extrema tunnhet, förstod endast delvis. Pichler och hans forskargrupp har nu bestämt arten av denna interaktion.

Sila med laddning

Teamet lyckades också genast få några överraskande nya insikter. "Vi kunde visa en korrelation mellan laddningsöverföring - förskjutningen av elektroner - och mekanisk belastning i grafen för första gången, " säger Pichler. "Denna observation kan vara av stor praktisk betydelse, eftersom det innebär att en helt kontaktlös mätning av inre belastning i grafenbaserade komponenter kan vara möjlig i framtiden. "

Teamet uppnådde också betydande framgångar i den riktade kontrollen av miljön för grafen. Inom ramen för projektet, det var möjligt att styra gränssnittet mellan grafen och traditionella halvledare som germanium på atomnivå för första gången. Många ser detta som ett viktigt steg mot att göra grafenbaserade nanoelektroniska komponenter användbara för halvledarteknologi.

Framgång med metod

Avgörande för samarbetsprojektets framgång var dess optimala kombination och implementering av två processer. Pichler och hans team använde de allra senaste spektroskopimätteknikerna och kompletterade dem med så kallade ab-initio-beräkningar, som utfördes av ett team under ledning av Ludger Wirtz från Institute for Electronics, Mikroelektronik och nanoteknik vid universitetet i Lille.

Omfattande prover

Projektet lyckades ta fram omfattande prover av elektroniskt isolerad grafen. Detta gav ett optimalt utgångsmaterial för det experimentella arbetet. "Vi manipulerade sedan medvetet den elektroniska strukturen av grafen, säger Pichler, att förklara den strategi som antagits av projektet. "Att göra detta, till exempel, vi ersatte vissa atomer i grafensubstratet med väte- eller kväveatomer och mätte effekten av denna substitution på grafenen." Ett annat tillvägagångssätt som Pichler och hans team antog involverade en metod som kallas interkalering. Med denna metod, wafer-tunna lager av kalium, litium eller barium sätts in mellan grafen och substrat och den resulterande påverkan på grafen kännetecknas.

Dessa steg banade väg för många andra framsteg som härrörde från FWF-projektet, som fortfarande behövs för att möjliggöra en omfattande användning av mirakelmaterialet grafen. Många utmaningar återstår att övervinna innan en "mirakelarbetare" som grafen kan användas praktiskt. Grundforskning kommer att spela en nyckelroll för att övervinna dessa utmaningar.