Forskare har utvecklat en metod för att "koppla upp" grafen nanorribbons (GNR), en klass av endimensionella material som är av intresse för skalningen av mikroelektroniska enheter. Med hjälp av en direktskrivande skanningstunnelmikroskopi (STM)-baserad process, tillverkades metallkontakterna i nanometerskala på individuella GNR:er och kunde styra den elektroniska karaktären hos GNR:erna.

Forskarna säger att detta är den första demonstrationen av att skapa metallkontakter till specifika GNR:er med säkerhet och att dessa kontakter inducerar enhetsfunktionalitet som behövs för transistorfunktion.

Resultaten av denna forskning, ledd av professorn i elektro- och datorteknik (ECE) Joseph Lyding, tillsammans med ECE-studenten Pin-Chiao Huang och materialvetenskaps- och ingenjörsstudenten Hongye Sun, publicerades nyligen i tidskriften ACS Nano .

"Graphene har funnits ett tag och det har ansetts vara något som potentiellt kan vara ett höghastighets elektroniskt material, kanske till och med en ersättning för kisel", förklarar Lyding. "Men problemet med grafen i sig är att det inte är en halvledare."

Grafen är ett enatoms tjockt lager av kolatomer och även om det kan vara det tunnaste kända materialet är det också otroligt starkt. Halvledaregenskaper kan induceras i grafen genom att göra den mycket liten eller genom att tillverka den till specifika former - som band. För detta projekt syntetiserades atomärt exakta GNR av medförfattaren Alexander Sinitskii och hans grupp vid University of Nebraska.

Processen att göra en transistor av GNR:erna inkluderar att sätta dem på ett kiselsubstrat, ansluta ledningar och köra ström genom ledningarna för att mäta transistoregenskaperna. Teamet har tagit det kritiska steget att ta GNR, som är smalare i diameter än en DNA-molekyl, och koppla upp dem. De har utvecklat en teknik där ledningarna också bara är några nanometer breda.

Andra forskare har arbetat med detta problem genom att sätta många GNR på en kiselyta och lägga ner gigantiska elektroder och hoppas på det bästa. Denna metod introducerar dock mycket osäkerhet. Lyding och hans elever använde en mer exakt metod för att koppla upp GNR:erna. De använde ett skanningstunnelmikroskop (ett bildverktyg för atomupplösning) för att skanna ytan och letade efter en GNR att använda.

I STM förs en skarp spets nära en yta - i storleksordningen en nanometer - och skannas över ytan. Det finns ett strömflöde mellan spetsen och ytan, och när spetsen stöter på atomer på ytan, som att köra över en farthinder, blir det strömflödet modulerat. Detta möjliggör detektering och bildåtergivning av GNR.

När de väl hittar en GNR använder de elektronstrålen i STM för att utlösa metallavsättning från hafniumdiborid-prekursormolekyler för att skapa ledningarna. Medförfattare Gregory Girolami och hans grupp på UIUC Chemistry Department syntetiserade föregångaren för denna process, kallad STM direct-write. "Vår ledningsmetod är väldigt exakt. När vi ser en GNR kan vi bara definiera ett mönster som vi vill ha, och sedan kopplar vi det. Det är inte bara att blint kasta elektroder på ytan", säger Huang.

En annan fördel med denna metod är att den görs i ultrahögt vakuum (UHV). Detta säkerställer att materialet förblir rent från atmosfäriskt vatten och annat "skräp" som försämrar enhetens prestanda.

Forskarna undersökte också den elektroniska karaktären hos GNR:erna och fann att den ändrades genom att sätta på metallkontakterna. Halvledar "dopning" är det avsiktliga införandet av föroreningar för att ändra dess elektroniska egenskaper.

Sun förklarar, "Ett sätt att dopa GNR är att använda olika kemiska reaktioner för att ändra GNR-egenskaperna. Men den processen är svår. Sättet vi gör det är genom att deponera metall. Och vi kan faktiskt välja vilken typ av metall som vi vill sätta på GNR som också kan ställa in GNR-egenskaperna. Det är ett sätt att i huvudsak dopa våra GNR, utan att faktiskt använda dopämnen."

Lyding säger, "Nästa steg, som vi arbetar med nu, är att göra en riktig transistor och faktiskt mäta transistorns egenskaper. Men vi vet att vi kan göra denna orörda process, med hjälp av ultrahögt vakuum, för att göra elektroderna som är absolut nödvändiga för enhetens funktion."

Mer information: Pin-Chiao Huang et al, Sub-5 nm-kontakter och inducerad p–n-övergångsbildning i individuella atomiskt exakta grafen-nanorribbons, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c02794

Journalinformation: ACS Nano

Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering