(PhysOrg.com) -- Spostati sul silicio. C'è un nuovo materiale elettronico in città, e va veloce. quel materiale, il focus del Premio Nobel 2010 per la fisica, è il grafene -- un nome di fantasia per strati estremamente sottili di normali atomi di carbonio disposti in un reticolo a "filo di pollo". Questi strati, a volte solo un atomo di spessore, condurre elettricità praticamente senza resistenza, pochissima generazione di calore e meno consumo di energia rispetto al silicio.

Con la fabbricazione di dispositivi in ​​silicio che si avvicina ai suoi limiti fisici, molti ricercatori ritengono che il grafene possa fornire un nuovo materiale di piattaforma che consentirebbe all'industria dei semiconduttori di continuare la sua marcia verso dispositivi elettronici sempre più piccoli e veloci, progressi descritti nella legge di Moore. Sebbene il grafene probabilmente non sostituirà mai il silicio per le applicazioni elettroniche quotidiane, potrebbe diventare il materiale preferito per i dispositivi ad alte prestazioni.

E il grafene potrebbe infine generare una nuova generazione di dispositivi progettati per sfruttare le sue proprietà uniche.

Dal 2001, Georgia Tech è diventata leader mondiale nello sviluppo di grafene epitassiale, un tipo specifico di grafene che può essere coltivato su grandi wafer e modellato per l'uso nella produzione di elettronica. In un recente articolo pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology, I ricercatori della Georgia Tech hanno riferito di aver fabbricato una serie di 10, 000 transistor top-gate su un chip da 0,24 centimetri quadrati, un risultato ritenuto la più alta densità riportata finora nei dispositivi al grafene.

Nel creare quell'array, hanno anche dimostrato un nuovo approccio intelligente per la crescita di modelli complessi di grafene su modelli incisi nel carburo di silicio. La nuova tecnica ha offerto la soluzione a uno dei problemi più difficili che aveva dovuto affrontare l'elettronica al grafene.

"Questo è un passo significativo verso la produzione di elettronica con grafene, " disse Walt de Heer, un professore della School of Physics della Georgia Tech che ha aperto la strada allo sviluppo del grafene per l'elettronica ad alte prestazioni. "Questo è un altro passo che mostra che il nostro metodo di lavoro con il grafene epitassiale cresciuto su carburo di silicio è l'approccio giusto e quello che sarà probabilmente utilizzato per realizzare l'elettronica al grafene".

Nanotubi di carbonio srotolati

Per de Heer, la storia del grafene inizia con i nanotubi di carbonio, minuscole strutture cilindriche considerate miracolose quando iniziarono a essere studiate dagli scienziati nel 1991. De Heer era tra i ricercatori entusiasti delle proprietà dei nanotubi, la cui disposizione unica degli atomi di carbonio ha conferito loro proprietà fisiche ed elettroniche che gli scienziati ritenevano potessero essere la base per una nuova generazione di dispositivi elettronici.

I nanotubi di carbonio hanno ancora proprietà attraenti, ma la capacità di farli crescere in modo coerente - e di incorporarli in applicazioni elettroniche ad alto volume - è finora sfuggita ai ricercatori. De Heer si rese conto prima di altri che i nanotubi di carbonio probabilmente non sarebbero mai stati utilizzati per dispositivi elettronici ad alto volume.

Ma si rese anche conto che la chiave per le proprietà elettroniche attraenti dei nanotubi era il reticolo creato dagli atomi di carbonio. Perché non far crescere semplicemente quel reticolo su una superficie piana, e utilizzare tecniche di fabbricazione comprovate nell'industria della microelettronica per creare dispositivi più o meno allo stesso modo dei circuiti integrati in silicio?

Riscaldando il carburo di silicio - un materiale elettronico ampiamente utilizzato - de Heer e i suoi colleghi sono stati in grado di guidare gli atomi di silicio dalla superficie, lasciando solo il reticolo di carbonio in sottili strati di grafene abbastanza grandi da far crescere i tipi di dispositivi elettronici familiari a una generazione di progettisti di elettronica.

Quel processo è stato la base per un brevetto depositato nel 2003, e per il supporto di ricerca iniziale da parte del produttore di chip Intel. Da allora, Il gruppo di de Heer ha pubblicato dozzine di articoli e ha contribuito a generare altri gruppi di ricerca utilizzando anche il grafene epitassiale per dispositivi elettronici. Sebbene gli scienziati stiano ancora imparando a conoscere il materiale, aziende come IBM hanno lanciato programmi di ricerca basati sul grafene epitassiale, e agenzie come la National Science Foundation (NSF) e la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hanno investito nello sviluppo del materiale per future applicazioni elettroniche.

Il lavoro di Georgia Tech sullo sviluppo del grafene epitassiale per la produzione di dispositivi elettronici è stato riconosciuto nel documento di base prodotto dalla Royal Swedish Academy of Sciences come parte della documentazione del Premio Nobel.

La corsa per trovare applicazioni commerciali per il grafene è intensa, con ricercatori degli Stati Uniti, Europa, Giappone e Singapore impegnati in sforzi ben finanziati. Da quando ha assegnato il Nobel a un gruppo del Regno Unito, il flusso di comunicati stampa sugli sviluppi del grafene è cresciuto.

"Il nostro grafene epitassiale è ora utilizzato in tutto il mondo da molti laboratori di ricerca, " ha osservato de Heer. "Siamo probabilmente nella fase in cui si trovava il silicio negli anni '50. Questo è l'inizio di qualcosa che sarà molto grande e importante".

Silicio "Esaurendo il gas"

È necessario un nuovo materiale elettronico perché il silicio sta esaurendo la sala di miniaturizzazione.

"In primis, abbiamo ottenuto gli aumenti di velocità dal silicio riducendo continuamente le dimensioni delle funzionalità e migliorando la tecnologia di interconnessione, " ha detto Dennis Hess, direttore del Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), sponsorizzato dalla National Science Foundation, istituito presso la Georgia Tech per studiare i futuri materiali elettronici, a partire dal grafene epitassiale. "Siamo al punto in cui in meno di 10 anni, non saremo in grado di ridurre ulteriormente le dimensioni delle caratteristiche a causa della fisica del funzionamento del dispositivo. Ciò significa che dovremo cambiare il tipo di dispositivo che produciamo, o modificare il materiale elettronico che utilizziamo."

È una questione di fisica. Alle scale di dimensioni molto ridotte necessarie per creare array di dispositivi sempre più densi, il silicio genera troppa resistenza al flusso di elettroni, creando più calore di quello che può essere dissipato e consumando troppa energia.

Il grafene non ha tali restrizioni, e infatti, può fornire una mobilità degli elettroni fino a 100 volte migliore del silicio. De Heer crede che il suo gruppo abbia sviluppato la tabella di marcia per il futuro dell'elettronica ad alte prestazioni e che sia pavimentata con grafene epitassiale.

"In pratica abbiamo sviluppato un intero schema per realizzare l'elettronica con il grafene, " ha detto. "Abbiamo stabilito quelle che riteniamo saranno le regole di base per come funzionerà, e abbiamo i brevetti chiave in atto."

Silicio, Certo, è maturata nel corso di molte generazioni attraverso una costante ricerca e miglioramento. De Heer e Hess concordano sul fatto che il silicio sarà sempre in giro, utile per prodotti di consumo a basso costo come iPod, tostapane, personal computer e simili.

De Heer si aspetta che il grafene trovi la sua nicchia facendo cose che altrimenti non potrebbero essere fatte.

"Non stiamo cercando di fare qualcosa di più economico o migliore; faremo cose che non possono essere fatte affatto con il silicio, " ha detto. "Rendere dispositivi elettronici piccoli come una molecola, ad esempio, non si può fare con il silicio, ma in linea di principio si potrebbe fare con il grafene. La domanda chiave è come estendere la legge di Moore in un mondo post-CMOS".

A differenza dei nanotubi di carbonio che ha studiato negli anni '90, de Heer non vede grossi problemi per lo sviluppo del grafene epitassiale.

"Che il grafene sarà uno dei principali attori nell'elettronica del futuro non è più in dubbio, " ha detto. "Non vediamo alcun vero blocco stradale davanti a noi. Non ci sono luci rosse lampeggianti o altri segni che sembrano dire che non funzionerà. Tutti i problemi che vediamo riguardano il miglioramento dei problemi tecnici, e noi sappiamo come farlo".

Fare il miglior grafene

Dall'inizio dell'esplorazione del grafene nel 2001, de Heer e il suo team di ricerca hanno apportato continui miglioramenti alla qualità del materiale che producono, e quei miglioramenti hanno permesso loro di dimostrare una serie di proprietà fisiche - come l'effetto Quantum Hall - che verificano le proprietà uniche del materiale.

"Le proprietà che vediamo nel nostro grafene epitassiale sono simili a quelle che abbiamo calcolato per un foglio teorico ideale di grafene sospeso nell'aria, " ha detto Claire Berger, un ricercatore presso la Georgia Tech School of Physics che ha anche un incarico di facoltà presso il Centre National de la Recherche Scientifique in Francia. "Vediamo queste proprietà nel trasporto degli elettroni e vediamo queste proprietà in tutti i tipi di spettroscopia. Tutto ciò che dovrebbe accadere in un singolo foglio di grafene lo vediamo nei nostri sistemi".

Chiave per il futuro del materiale, Certo, è la capacità di realizzare dispositivi elettronici che funzionino in modo coerente. I ricercatori ritengono di aver quasi raggiunto quel punto.

"All of the properties that epitaxial graphene needs to make it viable for electronic devices have been proven in this material, " said Ed Conrad, a professor in Georgia Tech's School of Physics who is also a MRSEC member. "We have shown that we can make macroscopic amounts of this material, and with the devices that are scalable, we have the groundwork that could really make graphene take off."

Reaching higher and higher device density is also important, along with the ability to control the number of layers of graphene produced. The group has demonstrated that in their multilayer graphene, each layer retains the desired properties.

"Multilayer graphene has different stacking than graphite, the material found in pencils, " Conrad noted. "In graphite, every layer is rotated 60 degrees and that's the only way that nature can do it. When we grow graphene on silicon carbide, the layers are rotated 30 degrees. When that happens, the symmetry of the system changes to make the material behave the way we want it to."

Epitaxial Versus Exfoliated

Much of the world's graphene research -- including work leading to the Nobel -- involved the study of exfoliated graphene:layers of the material removed from a block of graphite, originally with tape. While that technique produces high-quality graphene, it's not clear how that could be scaled up for industrial production.

While agreeing that the exfoliated material has produced useful information about graphene properties, de Heer dismisses it as "a science project" unlikely to have industrial electronics application.

"Electronics companies are not interested in graphene flakes, " he said. "They need industrial graphene, a material that can be scaled up for high-volume manufacturing. Industry is now getting more and more interested in what we are doing."

De Heer says Georgia Tech's place in the new graphene world is to focus on electronic applications.

"We are not really trying to compete with these other groups, " he said. "We are really trying to create a practical electronic material. To do that, we will have to do many things right, including fabricating a scalable material that can be made as large as a wafer. It will have to be uniform and able to be processed using industrial methods."

Resolving Technical Issues

Among the significant technical issues facing graphene devices has been electron scattering that occurs at the boundaries of nanoribbons. If the edges aren't perfectly smooth -- as usually happens when the material is cut with electron beams -- the roughness bounces electrons around, creating resistance and interference.

Per affrontare quel problema, de Heer and his team recently developed a new "templated growth" technique for fabricating nanometer-scale graphene devices. The technique involves etching patterns into the silicon carbide surfaces on which epitaxial graphene is grown. The patterns serve as templates directing the growth of graphene structures, allowing the formation of nanoribbons of specific widths without the use of e-beams or other destructive cutting techniques. Graphene nanoribbons produced with these templates have smooth edges that avoid electron-scattering problems.

"Using this approach, we can make very narrow ribbons of interconnected graphene without the rough edges, " said de Heer. "Anything that can be done to make small structures without having to cut them is going to be useful to the development of graphene electronics because if the edges are too rough, electrons passing through the ribbons scatter against the edges and reduce the desirable properties of graphene."

In nanometer-scale graphene ribbons, quantum confinement makes the material behave as a semiconductor suitable for creation of electronic devices. But in ribbons a micron or so wide, the material acts as a conductor. Controlling the depth of the silicon carbide template allows the researchers to create these different structures simultaneously, using the same growth process.

"The same material can be either a conductor or a semiconductor depending on its shape, " noted de Heer. "One of the major advantages of graphene electronics is to make the device leads and the semiconducting ribbons from the same material. That's important to avoid electrical resistance that builds up at junctions between different materials."

After formation of the nanoribbons, the researchers apply a dielectric material and metal gate to construct field-effect transistors. While successful fabrication of high-quality transistors demonstrates graphene's viability as an electronic material, de Heer sees them as only the first step in what could be done with the material.

"When we manage to make devices well on the nanoscale, we can then move on to make much smaller and finer structures that will go beyond conventional transistors to open up the possibility for more sophisticated devices that use electrons more like light than particles, " he said. "If we can factor quantum mechanical features into electronics, that is going to open up a lot of new possibilities."

Collaborations with Other Groups

Before engineers can use epitaxial graphene for the next generation of electronic devices, they will have to understand its unique properties. As part of that process, Georgia Tech researchers are collaborating with scientists at the National Institute of Standards and Technology (NIST). The collaboration has produced new insights into how electrons behave in graphene.

In un recente articolo pubblicato sulla rivista Nature Physics , the Georgia Tech-NIST team described for the first time how the orbits of electrons are distributed spatially by magnetic fields applied to layers of epitaxial graphene. They also found that these electron orbits can interact with the substrate on which the graphene is grown, creating energy gaps that affect how electron waves move through the multilayer material.

"The regular pattern of magnetically-induced energy gaps in the graphene surface creates regions where electron transport is not allowed, " said Phillip N. First, a professor in the Georgia Tech School of Physics and MRSEC member. "Electron waves would have to go around these regions, requiring new patterns of electron wave interference. Understanding this interference would be important for some bi-layer graphene devices that have been proposed."

Earlier NIST collaborations led to improved understanding of graphene electron states, and the way in which low temperature and high magnetic fields can affect energy levels. The researchers also demonstrated that atomic-scale moiré patterns, an interference pattern that appears when two or more graphene layers are overlaid, can be used to measure how sheets of graphene are stacked.

In a collaboration with the U.S. Naval Research Laboratory and University of Illinois at Urbana-Champaign, a group of Georgia Tech professors developed a simple and quick one-step process for creating nanowires on graphene oxide.

"Abbiamo dimostrato che riscaldando localmente l'ossido di grafene isolante, both the flakes and the epitaxial varieties, con una punta per microscopio a forza atomica, we can write nanowires with dimensions down to 12 nanometers, " disse Elisa Riedo, an associate professor in the Georgia Tech School of Physics and a MRSEC member. "And we can tune their electronic properties to be up to four orders of magnitude more conductive."

A New Industrial Revolution?

Though graphene can be grown and fabricated using processes similar to those of silicon, it is not easily compatible with silicon. That means companies adopting it will also have to build new fabrication facilities -- an expensive investment. Di conseguenza, de Heer believes industry will be cautious about moving into a new graphene world.

"Silicon technology is completely entrenched and well developed, " he admitted. "We can adopt many of the processes of silicon, but we can't easily integrate ourselves into silicon. A causa di ciò, we really need a major paradigm shift. But for the massive electronics industry, that will not happen easily or gently."

He draws an analogy to steamships and passenger trains at the dawn of the aviation age. Ad un certo punto, it became apparent that airliners were going to replace both ocean liners and trains in providing first-class passenger service. Though the cost of air travel was higher, passengers were willing to pay a premium for greater speed.

"We are going to see a coexistence of technologies for a while, and how the hybridization of graphene and silicon electronics is going to happen remains up in the air, " de Heer predicted. "That is going to take decades, though in the next ten years we are probably going to see real commercial devices that involve graphene."