(PhysOrg.com) - I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno sviluppato una nuova tecnica di "crescita modello" per fabbricare dispositivi al grafene su scala nanometrica. Il metodo affronta quello che era stato un ostacolo significativo all'uso di questo materiale promettente nelle future generazioni di dispositivi elettronici ad alte prestazioni.

La tecnica prevede l'incisione di modelli nelle superfici di carburo di silicio su cui viene coltivato il grafene epitassiale. I modelli servono come modelli che dirigono la crescita delle strutture di grafene, consentendo la formazione di nanonastri di larghezze specifiche senza l'uso di e-beam o altre tecniche di taglio distruttive. I nanonastri di grafene prodotti con questi modelli hanno bordi lisci che evitano problemi di diffusione degli elettroni.

"Utilizzando questo approccio, possiamo realizzare nastri molto stretti di grafene interconnessi senza i bordi ruvidi, " disse Walt de Heer, un professore della Georgia Tech School of Physics. "Tutto ciò che si può fare per realizzare piccole strutture senza doverle tagliare sarà utile allo sviluppo dell'elettronica al grafene perché se i bordi sono troppo ruvidi, gli elettroni che passano attraverso i nastri si disperdono contro i bordi e riducono le proprietà desiderabili del grafene".

La nuova tecnica è stata utilizzata per fabbricare un array di 10, 000 transistor al grafene top-gate su un chip da 0,24 centimetri quadrati, ritenuta la più grande densità di dispositivi al grafene segnalata finora.

La ricerca è stata riportata il 3 ottobre nell'edizione online anticipata della rivista Nanotecnologia della natura . Il lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation, il W.M. Keck Foundation e il Nanoelectronics Research Initiative Institute for Nanoelectronics Discovery and Exploration (INDEX).

Nel creare le loro nanostrutture di grafene, De Heer e il suo team di ricerca utilizzano prima tecniche di microelettronica convenzionali per incidere piccoli "gradini" - o contorni - in un wafer di carburo di silicio. Quindi riscaldano il wafer sagomato a circa 1, 500 gradi Celsius, che avvia la fusione che lucida eventuali bordi ruvidi lasciati dal processo di incisione.

Quindi utilizzano tecniche consolidate per far crescere il grafene dal carburo di silicio allontanando gli atomi di silicio dalla superficie. Invece di produrre uno strato consistente di grafene dello spessore di un atomo sulla superficie del wafer, però, i ricercatori limitano il tempo di riscaldamento in modo che il grafene cresca solo sui bordi dei contorni.

Per fare questo, sfruttano il fatto che il grafene cresce più rapidamente su alcune sfaccettature del cristallo di carburo di silicio rispetto ad altre. La larghezza dei nanonastri risultanti è proporzionale alla profondità del contorno, fornendo un meccanismo per controllare con precisione i nanonastri. Per formare complesse strutture di grafene, è possibile eseguire più passaggi di incisione per creare un modello complesso, de Heer ha spiegato.

"Utilizzando il carburo di silicio per fornire il modello, possiamo coltivare il grafene esattamente nelle dimensioni e nelle forme che vogliamo, " ha detto. "Tagliare passaggi di varie profondità ci consente di creare strutture di grafene che sono interconnesse nel modo in cui vogliamo che siano.

In nastri di grafene su scala nanometrica, il confinamento quantistico fa sì che il materiale si comporti come un semiconduttore adatto alla creazione di dispositivi elettronici. Ma in nastri larghi un micron o più, il materiale funge da conduttore. Il controllo della profondità del modello in carburo di silicio consente ai ricercatori di creare queste diverse strutture contemporaneamente, utilizzando lo stesso processo di crescita.

"Lo stesso materiale può essere un conduttore o un semiconduttore a seconda della sua forma, " ha osservato de Heer, che è anche un membro della facoltà del Centro di ricerca scientifica e ingegneria dei materiali della Georgia Tech's National Science Foundation (MRSEC). "Uno dei principali vantaggi dell'elettronica al grafene è quello di realizzare i cavi del dispositivo e i nastri semiconduttori dello stesso materiale. Questo è importante per evitare la resistenza elettrica che si accumula nelle giunzioni tra materiali diversi".

Dopo la formazione dei nanonastri – che possono essere stretti fino a 40 nanometri – i ricercatori applicano un materiale dielettrico e un cancello metallico per costruire transistor ad effetto di campo. Mentre la fabbricazione di successo di transistor di alta qualità dimostra la fattibilità del grafene come materiale elettronico, de Heer li vede solo come il primo passo in ciò che potrebbe essere fatto con il materiale.

"Quando riusciamo a realizzare dispositivi su scala nanometrica, possiamo quindi passare a realizzare strutture molto più piccole e fini che andranno oltre i transistor convenzionali per aprire la possibilità a dispositivi più sofisticati che utilizzano gli elettroni più come la luce che le particelle, " ha detto. "Se possiamo fattorizzare le caratteristiche della meccanica quantistica nell'elettronica, questo aprirà molte nuove possibilità".

De Heer e il suo team di ricerca stanno ora lavorando per creare strutture più piccole, e di integrare i dispositivi al grafene con il silicio. I ricercatori stanno anche lavorando per migliorare i transistor ad effetto di campo con materiali dielettrici più sottili.

In definitiva, il grafene può essere la base per una generazione di dispositivi ad alte prestazioni che trarranno vantaggio dalle proprietà uniche del materiale in applicazioni in cui il costo più elevato può essere giustificato. Il silicio continuerà ad essere utilizzato in applicazioni che non richiedono prestazioni così elevate, ha detto de Heer.

"Questo è un altro passo che mostra che il nostro metodo di lavorare con il grafene epitassiale su carburo di silicio è l'approccio giusto e quello che sarà probabilmente utilizzato per realizzare l'elettronica al grafene, " ha aggiunto. "Questo è un nuovo passo significativo verso la produzione di elettronica con grafene".