Ur elektronens synvinkel, grafen måste vara en hårresande spänningstur. I åratal, forskare har observerat att elektroner kan blitza genom grafen med hastigheter som närmar sig ljusets hastighet, mycket snabbare än de kan färdas genom kisel och andra halvledande material.

Grafen, därför, har utpekats som en lovande efterträdare till kisel, med potential att möjliggöra snabbare, effektivare elektroniska och fotoniska enheter.

Men tillverkning av orörd grafen - en enda, helt platt, ultratunna ark med kolatomer, exakt anpassad och kopplad ihop som chickenwire - är extremt svårt. Konventionella tillverkningsprocesser genererar ofta rynkor, som kan spåra ur elektronens bullet-tågresa, begränsar grafens elektriska prestanda avsevärt.

Nu har ingenjörer på MIT hittat ett sätt att göra grafen med färre rynkor, och att stryka ut de rynkor som dyker upp. Efter att ha tillverkat och sedan plattat ut grafen, forskarna testade dess elektriska konduktivitet. De fann att varje skiva uppvisade enhetlig prestanda, vilket betyder att elektroner flödade fritt över varje skiva, i liknande hastigheter, även över tidigare skrynkliga områden.

I ett papper publicerat idag i Förfaranden från National Academy of Sciences , forskarna rapporterar att deras tekniker framgångsrikt producerar skivor, "enkeldomän" grafen-enstaka lager av grafen som är enhetliga i både atomarrangemang och elektronisk prestanda.

"För att grafen ska spela som ett huvudsakligt halvledarmaterial för industrin, det måste vara endomän, så att om du gör miljontals enheter på den, enheternas prestanda är densamma på valfri plats, "säger Jeehwan Kim, klassen 1947 Karriärutvecklingsassistent vid institutionerna för maskinteknik och materialvetenskap vid MIT. "Nu kan vi verkligen producera grafen med en domän i skivor."

Kims medförfattare inkluderar Sanghoon Bae, Samuel Cruz, och Yunjo Kim från MIT, tillsammans med forskare från IBM, University of California i Los Angeles, och Kyungpook National University i Sydkorea.

Ett lapptäcke av rynkor

Det vanligaste sättet att göra grafen innebär kemisk ångavsättning, eller CVD, en process där kolatomer avsätts på ett kristallint substrat såsom kopparfolie. När kopparfolien är jämnt belagd med ett enda lager kolatomer, forskare sänker ner allt i syra för att etsa bort koppar. Det som återstår är ett enda ark grafen, som forskare sedan drar ut ur syran.

CVD -processen kan producera relativt stora, makroskopiska rynkor i grafen, på grund av grovheten i själva underliggande koppar och processen med att dra ut grafen från syran. Riktningen av kolatomer är inte enhetlig över grafen, skapa ett "polykristallint" tillstånd där grafen liknar ett ojämnt, lapptäcke terräng, förhindrar att elektroner flyter med enhetliga hastigheter.

Under 2013, under arbetet på IBM, Kim och hans kollegor utvecklade en metod för att tillverka skivor av enkristallint grafen, där orienteringen av kolatomer är exakt densamma genom en skiva.

Istället för att använda CVD, hans team producerade enkristallint grafen från en kiselkarbidskiva med en atomiskt slät yta, om än med små, stegliknande rynkor i storleksordningen flera nanometer. De använde sedan ett tunt nickelark för att avlägsna den översta grafen från kiselkarbidskivan, i en process som kallas lagerupplöst grafenöverföring.

Strykavgifter

I deras nya tidning, Kim och hans kollegor upptäckte att den lagerupplösta grafenöverföringen stryker ut stegen och små rynkor i kiselkarbidfabrikat grafen. Innan grafenskiktet överförs till en kiselskiva, laget oxiderade kislet, skapa ett lager kiseldioxid som naturligt uppvisar elektrostatiska laddningar. När forskarna sedan deponerade grafen, kiseldioxiden drog effektivt ned grafenens kolatomer på skivan, plattar ut sina steg och rynkor.

Kim säger att denna strykningsmetod inte skulle fungera på CVD-tillverkad grafen, eftersom rynkorna som genereras genom CVD är mycket större, i storleksordningen flera mikron.

"CVD -processen skapar rynkor som är för höga för att strykas ut, "Kim noterar." För kiselkarbidgrafen, rynkorna är bara några nanometer höga, tillräckligt kort för att bli utplattad. "

För att testa om de plattade, enkristallina grafenplattor var enkeldomän, forskarna tillverkade små transistorer på flera platser på varje skiva, inklusive över tidigare skrynkliga områden.

"Vi mätte elektronrörligheten i skivorna, och deras prestanda var jämförbar, "Säger Kim." Vad mer, denna rörlighet i strykad grafen är två gånger snabbare. Så nu har vi verkligen grafen med en domän, och dess elektriska kvalitet är mycket högre [än grafenfäst kiselkarbid]. "

Kim säger att även om det fortfarande finns utmaningar att anpassa grafen för användning inom elektronik, gruppens resultat ger forskare en plan för hur man på ett tillförlitligt sätt kan tillverka orörda, enkeldomän, rynkfri grafen i skivor.

"Om du vill göra någon elektronisk enhet med grafen, du måste arbeta med grafen med en domän, " Kim says. "There's still a long way to go to make an operational transistor out of graphene. But we can now show the community guidelines for how you can make single-crystalline, single-domain graphene."