Kiselkristaller är de halvledare som oftast används för att tillverka transistorer, som är kritiska elektroniska komponenter som används för att utföra logiska operationer i datoranvändning. Dock, allt eftersom snabbare och kraftfullare processorer skapas, kisel har nått en prestandagräns:ju snabbare det leder elektricitet, ju varmare det blir, leder till överhettning.

grafen, gjord av en enatomtjock skiva av kol, förblir mycket svalare och kan leda mycket snabbare, men det måste vara i mindre bitar, kallade nanoband, för att fungera som en halvledare. Trots stora framsteg i tillverkningen och karakteriseringen av nanoband, att rent överföra dem till ytor som används för spåntillverkning har varit en betydande utmaning.

En nyligen genomförd studie utförd av forskare vid Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid University of Illinois och Department of Chemistry vid University of Nebraska-Lincoln har visat det första viktiga steget mot att integrera atomärt precisa grafen nanoribbons (APGNR) på icke-metalliska substrat . Pappret, "Lösningssyntetiserade Chevron Graphene Nanoribbons exfolierade på H:Si(100), " publicerades i Nanobokstäver .

Grafen nanoband mäter bara flera nanometer tvärs över, bortom gränserna för konventionella chiptop-down-mönster som används vid chiptillverkning. Som ett resultat, när de är skurna från större grafenbitar genom olika nanotillverkningsmetoder, grafen nanoband är varken enhetliga eller smala nog för att uppvisa de önskade halvledaregenskaperna.

"När du går uppifrån och ner, det är väldigt svårt att få kontroll över bredden. Det visar sig att om bredden moduleras med bara en atom eller två, egenskaperna förändras avsevärt, sade Adrian Radocea, doktorand i Beckmans Nanoelectronics and Nanomaterials Group.

Som ett resultat, nanobanden måste göras från "botten och upp, " från mindre molekyler till att skapa atomärt precisa nanoband med mycket enhetliga elektroniska egenskaper.

"Det är som molekylära byggstenar:ungefär som att knäppa ihop legos för att bygga något, " sade Radocea. "De låser på plats, och du får exakt kontroll över bandbredden."

"Bottom-up"-metoden visades först för grafen nanoband av Cai et al. i ett Nature-papper från 2010 som visar tillväxten av atomärt exakta grafen-nanorband på metalliska substrat. Under 2014, forskargruppen Alexander Sinitskii vid University of Nebraska-Lincoln utvecklade ett alternativt tillvägagångssätt för att göra atomärt exakta grafen-nanoband i lösning.

"Den tidigare demonstrerade syntesen på metalliska substrat ger grafen nanorband av mycket hög kvalitet, men deras antal är ganska litet, eftersom tillväxten begränsade den till ädelmetallens yta, sade Sinitskii, docent i kemi vid University of Nebraska-Lincoln och en författare till studien. "Det är svårt att skala upp den här syntesen. Däremot när nanoband syntetiseras i den obegränsade tredimensionella lösningsmiljön, de kan produceras i stora mängder."

Svårigheten att rent överföra nanoband beror på den höga känsligheten för miljöföroreningar. Både lösningssyntetiserade och ytodlade nanoband utsätts för kemikalier under överföringsprocessen som kan påverka prestandan hos grafen nanorribbon-enheter. För att övervinna denna utmaning, det tvärvetenskapliga teamet använde en torr transfer i en miljö med ultrahögt vakuum.

En glasfiberapplikator belagd med grafen nanorribbonpulver upphettades för att avlägsna föroreningar och lösningsmedelsrester och pressades sedan på en nyberedd vätepassiverad kiselyta. Nanobanden studerades i detalj med ultrahögt vakuum scanning tunnelmikroskop utvecklat av Joseph Lyding, professor i el- och datateknik vid Illinois och författare till studien. Forskarna fick bilder i atomskala och elektroniska mätningar av grafen-nanorbanden som var avgörande för att bekräfta deras elektroniska egenskaper och förstå substratets inverkan.

Beräkningsexpertis tillgänglig på Beckman, Radocea förklarade, var avgörande för att förstå de experimentella resultaten. "Jag samlade fortfarande in mer data för att försöka ta reda på vad som pågick. När modelleringsresultaten kom in och vi började titta på data på ett annat sätt, allt var vettigt."

Medlemmar av Beckmans Computational Multiscale Nanosystems Group, Tao Sun, en doktorand, och Narayana Aluru, professor i mekanisk vetenskap och teknik, tillhandahöll expertis inom beräkningsmodellering via densitetsfunktionsteori för att undersöka nanobandens egenskaper.

"Densitetsfunktionella teoriberäkningar gav en djupare förståelse av de elektroniska egenskaperna hos det integrerade systemet och interaktionerna mellan grafen nanoband och kiselsubstratet, " sa Sun. "Det var spännande att beräkningsresultaten kunde hjälpa till att förklara och bekräfta experimentresultaten och gav en sammanhängande historia."

"Atomiskt exakta grafen nanorribbons (APGNR) är seriösa kandidater för post-kisel-eran när konventionell kiseltransistorskalning misslyckas, ", sa Lyding. "Detta visar det första viktiga steget mot att integrera APGNR med tekniskt relevanta kiselsubstrat."

"Jag tycker att projektet är väldigt spännande eftersom du bygger saker med atomnivåkontroll, så du försöker placera varje atom exakt där du vill att den ska gå, " sa Radocea. "Det finns inte många material där ute där man kan säga att man har den förmågan. Nanorribbons är spännande eftersom det finns ett verkligt behov och en verklig tillämpning."