(PhysOrg.com) -- Un semplice processo in un'unica fase che produce drogaggio sia di tipo n che di tipo p di superfici di grafene di grandi dimensioni potrebbe facilitare l'uso del materiale promettente per i futuri dispositivi elettronici. La tecnica del drogaggio può essere utilizzata anche per aumentare la conduttività nei nanonastri di grafene utilizzati per le interconnessioni.

Applicando un materiale spin-on-glass (SOG) disponibile in commercio al grafene e quindi esponendolo alla radiazione del fascio di elettroni, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno creato entrambi i tipi di doping semplicemente variando il tempo di esposizione. Livelli più elevati di energia del fascio elettronico prodotta in aree di tipo p, mentre livelli inferiori hanno prodotto aree di tipo n.

La tecnica è stata utilizzata per fabbricare giunzioni p-n ad alta risoluzione. Quando adeguatamente passivato, il doping creato dal SOG dovrebbe rimanere a tempo indeterminato nei fogli di grafene studiati dai ricercatori.

"Questo è un passo abilitante verso la realizzazione di transistor complementari al grafene a ossido di metallo, " disse Raghunath Murali, un ingegnere ricercatore senior presso il Centro di ricerca sulle nanotecnologie della Georgia Tech.

Un articolo che descrive la tecnica appare questa settimana sul giornale Lettere di fisica applicata. La ricerca è stata supportata dalla Semiconductor Research Corporation e dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) attraverso l'Interconnect Focus Center.

Nel nuovo processo di doping, Murali e lo studente laureato Kevin Brenner iniziano rimuovendo scaglie di grafene spesse da uno a quattro strati da un blocco di grafite. Mettono il materiale su una superficie di silicio ossidato, quindi fabbricare un dispositivo di contatto a quattro punti.

Prossimo, ruotano su pellicole di idrogeno silsquossano (HSQ), quindi polimerizzare alcune porzioni del film sottile risultante utilizzando la radiazione del fascio di elettroni. La tecnica fornisce un controllo preciso sulla quantità di radiazione e dove viene applicata al grafene, con livelli di energia più elevati corrispondenti a una maggiore reticolazione dell'HSQ.

"Abbiamo somministrato dosi variabili di radiazione a fascio di elettroni e poi abbiamo studiato come influenzava le proprietà dei portatori nel reticolo di grafene, " Ha detto Murali. "Il raggio elettronico ci ha fornito una vasta gamma di controllo che potrebbe essere prezioso per la fabbricazione di dispositivi su scala nanometrica. Possiamo usare un fascio di elettroni con un diametro di quattro o cinque nanometri che consente schemi di drogaggio molto precisi".

Le misurazioni elettroniche hanno mostrato che una giunzione p-n di grafene creata dalla nuova tecnica aveva grandi separazioni di energia, indicando forti effetti doping, Ha aggiunto.

Ricercatori altrove hanno dimostrato il doping del grafene utilizzando una varietà di processi, tra cui l'immersione del materiale in varie soluzioni e l'esposizione a una varietà di gas. Si ritiene che il processo Georgia Tech sia il primo a fornire drogaggio di elettroni e lacune da un singolo materiale drogante.

È probabile che i processi di drogaggio utilizzati per il grafene siano significativamente diversi da quelli stabiliti per l'uso del silicio, ha detto Murali. Nel silicio, la fase di drogaggio sostituisce atomi di un materiale diverso per atomi di silicio nel reticolo del materiale.

Nel nuovo processo a singolo passaggio per il grafene, si ritiene che il drogaggio introduca atomi di idrogeno e ossigeno in prossimità del reticolo di carbonio. L'ossigeno e l'idrogeno non sostituiscono gli atomi di carbonio, ma invece occupano posizioni in cima alla struttura reticolare.

"L'energia applicata al SOG rompe i legami chimici e rilascia idrogeno e ossigeno che si legano al reticolo di carbonio, " Ha detto Murali. "Un'energia ad alto raggio elettronico converte l'intera struttura SOG in più di una rete, e poi hai più ossigeno che idrogeno, con conseguente drogaggio di tipo p."

Nella produzione in serie, la radiazione del fascio di elettroni verrebbe probabilmente sostituita da un processo di litografia convenzionale, ha detto Murali. Variando la riflettanza o la trasmissione del set di maschere si controllerà la quantità di radiazione che raggiunge il SOG, e ciò determinerebbe se vengono create aree di tipo n o di tipo p.

"Fare tutto in un unico passaggio eviterebbe alcuni dei costosi passaggi della litografia, " ha detto. "La litografia in scala di grigi consentirebbe un controllo preciso del drogaggio su tutta la superficie del wafer".

Per il drogaggio di aree bulk come interconnessioni che non richiedono patterning, i ricercatori semplicemente rivestono l'area con HSQ e la espongono a una fonte di plasma. La tecnica può rendere i nanonastri fino a 10 volte più conduttivi del grafene non trattato.

Poiché HSQ è già familiare al settore della microelettronica, l'approccio one-step al doping potrebbe aiutare a integrare il grafene nei processi esistenti, evitando un'interruzione del sistema di progettazione e fabbricazione di semiconduttori di massa, Murali ha notato.

Negli ultimi due anni, i ricercatori del Centro di ricerca sulle nanotecnologie avevano osservato i cambiamenti causati dall'applicazione di HSQ durante i test elettrici. Solo di recente hanno dato un'occhiata più da vicino a ciò che stava accadendo per capire come sfruttare il fenomeno.

Per il futuro, vorrebbero capire meglio come funziona il processo e se altri polimeri potrebbero fornire risultati migliori.

"Dobbiamo capire meglio come controllare questo processo perché la variabilità è uno dei problemi che devono essere controllati per rendere fattibile la produzione, "Spiegò Murali. "Stiamo cercando di identificare altri polimeri che possano fornire un controllo migliore o livelli di drogaggio più elevati".