Grafenband som bara är några få atomer breda, så kallade grafen-nanoribbon, har speciella elektriska egenskaper som gör dem lovande kandidater för framtidens nanoelektronik. Medan grafen, ett endimensionellt kolskikt, är ett ledande material, det kan bli en halvledare i form av nanoribbon. Detta betyder att den har en tillräckligt stor energi eller bandgap där inga elektrontillstånd kan existera - den kan slås på och av, och kan därför bli en nyckelkomponent i nanotransistorer.

De minsta detaljerna i atomstrukturen för dessa grafenband, dock, har massiva effekter på storleken på energiklyftan, och därmed hur väl lämpade nanoribb är som komponenter i transistorer. Å ena sidan, gapet beror på bredden på grafenband, medan det å andra sidan beror på kanternas struktur. Eftersom grafen består av liksidiga kolhexagoner, gränsen kan ha en sicksack eller en så kallad fåtöljform, beroende på bandens orientering. Medan band med sicksackkant beter sig som metaller, dvs de är ledande, de blir halvledare med fåtöljskanten.

Detta utgör en stor utmaning för produktionen av nanoribon. Om bandet klipps från ett lager av grafen eller tillverkas genom att klippa kolnanorör, kanterna kan vara oregelbundna, och sålunda, grafenband kanske inte uppvisar de önskade elektriska egenskaperna.

Skapar en halvledare med nio atomer

Empa -forskare i samarbete med Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz och University of California i Berkeley har nu lyckats odla band exakt nio atomer breda med en vanlig fåtöljkant från föregångarmolekyler. De speciellt framställda molekylerna avdunstas i ett ultrahögt vakuum för detta ändamål. Efter flera processsteg, de kombineras som pusselbitar på en guldbas för att bilda önskade nanoribb på cirka en nanometer i bredd och upp till 50 nanometer i längd.

Dessa strukturer, som bara kan ses med ett scanningstunnelmikroskop, har nu en relativt stor och exakt definierad energiklyfta. Detta gjorde det möjligt för forskarna att gå ett steg längre och integrera grafenbanden i nanotransistorer. Initialt, dock, de första försöken var inte särskilt framgångsrika. Mätningar visade att skillnaden i strömflödet mellan "ON" -läget (dvs. med applicerad spänning) och "OFF" -tillståndet (utan applicerad spänning) var alldeles för liten. Problemet var det dielektriska skiktet av kiseloxid som förbinder de halvledande skikten med den elektriska omkopplarkontakten. För att få önskade egenskaper, den behövde vara 50 nanometer tjock, som, i tur och ordning, påverkade elektronernas beteende.

Dock, forskarna lyckades därefter massivt minska detta lager genom att använda hafniumoxid (HfO2) istället för kiseloxid som dielektriskt material. Därför, skiktet är nu bara 1,5 nanometer tunt och "på" -strömmen är storleksordningar högre.

Ett annat problem var införlivandet av grafenband i transistorn. I framtiden, bandet ska inte längre placeras kors och tvär på transistorsubstratet, utan snarare inriktad exakt längs transistorkanalen. Detta skulle avsevärt minska den för närvarande höga nivån av icke-fungerande nanotransistorer.