Una nuova tecnica di "crescita modello" per fabbricare nanonastri di grafene epitassiale ha prodotto strutture larghe solo 15-40 nanometri che conducono corrente quasi senza resistenza. Queste strutture potrebbero affrontare la sfida di collegare dispositivi al grafene realizzati con architetture convenzionali e gettare le basi per una nuova generazione di dispositivi che sfruttano le proprietà quantistiche degli elettroni.

"Ora possiamo fare molto stretto, nanonastri conduttivi che hanno proprietà balistiche quantistiche, " disse Walt de Heer, professore alla School of Physics del Georgia Institute of Technology. "Questi nastri stretti diventano quasi come un metallo perfetto. Gli elettroni possono attraversarli senza disperdersi, proprio come fanno nei nanotubi di carbonio."

De Heer avrebbe dovuto discutere i recenti risultati di questo processo di crescita del grafene il 21 marzo al Meeting di marzo 2011 dell'American Physical Society a Dallas. La ricerca è stata sponsorizzata dal Centro per la ricerca scientifica e tecnica sui materiali, supportato dalla National Science Foundation (MRSEC).

Segnalato per la prima volta il 3 ottobre nell'edizione online anticipata della rivista Nanotecnologia della natura , la nuova tecnica di fabbricazione consente la produzione di strutture epitassiali di grafene con bordi lisci. Le precedenti tecniche di fabbricazione che utilizzavano fasci di elettroni per tagliare fogli di grafene producevano strutture a nanonastri con bordi ruvidi che diffondono gli elettroni, causando interferenze. I nanonastri risultanti avevano proprietà più simili a isolanti che a conduttori.

"Nel nostro approccio alla crescita basata su modelli, abbiamo sostanzialmente eliminato i bordi che tolgono le proprietà desiderabili del grafene, " ha spiegato de Heer. "I bordi del grafene epitassiale si fondono nel carburo di silicio, producendo proprietà che sono davvero piuttosto interessanti."

La tecnica della "crescita del modello" inizia con modelli di incisione 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 e altre strutture di larghezze e forme specifiche senza l'uso di tecniche di taglio che producono i bordi irregolari.

Nella creazione di queste 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 la cui superficie è stata resa estremamente piatta. 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.

Vengono quindi utilizzate 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 su tutta la superficie del wafer, però, i ricercatori limitano il tempo di riscaldamento in modo che il grafene cresca solo su porzioni dei contorni.

La larghezza dei nanonastri risultanti è proporzionale alla profondità dei contorni, fornendo un meccanismo per controllare con precisione le strutture dei nanonastri. Per formare strutture complesse, è possibile eseguire più passaggi di incisione per creare modelli complessi.

"Questa tecnica ci consente di evitare i complicati passaggi della litografia a fascio elettronico che le persone hanno utilizzato per creare strutture in grafene epitassiale, " ha osservato de Heer. "Stiamo assistendo a proprietà molto buone che mostrano che queste strutture possono essere utilizzate per applicazioni elettroniche reali".

Dalla pubblicazione del documento Nature Nanotechnology, Il team di de Heer ha affinato la sua tecnica. "Abbiamo portato tutto questo all'estremo:i nastri più puliti e stretti che possiamo realizzare, " ha detto. "Ci aspettiamo di essere in grado di fare tutto ciò di cui abbiamo bisogno con i nastri di dimensioni che siamo in grado di realizzare in questo momento, anche se probabilmente potremmo ridurre la larghezza a 10 nanometri o meno".

Mentre il team della Georgia Tech continua a sviluppare transistor ad alta frequenza, forse anche nell'intervallo di terahertz, il suo impegno principale ora si concentra sullo sviluppo di dispositivi quantistici, ha detto de Heer. Tali dispositivi sono stati previsti nei brevetti che Georgia Tech detiene su vari processi di grafene epitassiale.

"Ciò significa che il modo in cui faremo l'elettronica al grafene sarà diverso, " ha spiegato. "Non seguiremo il modello di utilizzo di transistor ad effetto di campo standard (FET), ma perseguirà dispositivi che utilizzano conduttori balistici e interferenze quantistiche. Ci stiamo dirigendo direttamente all'uso degli effetti delle onde elettroniche nel grafene".

Sfruttare le proprietà delle onde consentirà di manipolare gli elettroni con tecniche simili a quelle utilizzate dagli ingegneri ottici. Ad esempio, la commutazione può essere effettuata utilizzando effetti di interferenza, separando fasci di elettroni e quindi ricombinandoli in fasi opposte per estinguere i segnali.

I dispositivi quantistici sarebbero più piccoli dei transistor convenzionali e funzionerebbero a una potenza inferiore. A causa della sua capacità di trasportare elettroni praticamente senza resistenza, il grafene epitassiale può essere il materiale ideale per tali dispositivi, ha detto de Heer.

"Utilizzare le proprietà quantistiche degli elettroni piuttosto che le proprietà standard delle particelle cariche significa aprire nuovi modi di guardare all'elettronica, " ha predetto. "Questo è probabilmente il modo in cui l'elettronica si evolverà, e sembra che il grafene sia il materiale ideale per realizzare questa transizione".

Il team di ricerca di De Heer spera di dimostrare un interruttore rudimentale che opera sul principio dell'interferenza quantistica entro un anno.

Il grafene epitassiale può essere la base per una nuova generazione di dispositivi ad alte prestazioni che trarranno vantaggio dalle proprietà uniche del materiale in applicazioni in cui è possibile giustificare costi più elevati. Silicio, il materiale elettronico di oggi preferito, continuerà ad essere utilizzato in applicazioni in cui non sono richieste alte prestazioni, ha detto de Heer.

"Questo è un passo importante nel processo, " ha aggiunto. "Ci saranno molte sorprese quando entreremo in questi dispositivi quantistici e scopriremo come funzionano. Abbiamo buone ragioni per credere che questa possa essere la base per una nuova generazione di transistor basati sull'interferenza quantistica".