(PhysOrg.com) -- I ricercatori hanno sviluppato un metodo per creare array di cristalli singoli di un materiale chiamato grafene, un progresso che apre la possibilità di sostituire il silicio nei computer e nell'elettronica ad alte prestazioni.

Il grafene è uno strato di carbonio dello spessore di un atomo che conduce elettricità con poca resistenza o generazione di calore. Gli array potrebbero rendere possibile una nuova classe di transistor ad alta velocità e circuiti integrati che consumano meno energia rispetto all'elettronica convenzionale al silicio.

Le nuove scoperte rappresentano un progresso verso il perfezionamento di un metodo per la produzione di grandi quantità di singoli cristalli del materiale, simile alla produzione di wafer di silicio.

"Il grafene non c'è ancora, in termini di produzione di massa di alta qualità come il silicio, ma questo è un passo molto importante in quella direzione, " ha detto Yong P. Chen, autore corrispondente per il nuovo studio e Miller Family Assistant Professor di Nanoscienze e Fisica presso la Purdue University.

Altri ricercatori hanno coltivato singoli cristalli di grafene, ma nessun altro ha dimostrato come creare array ordinati, o modelli che potrebbero essere utilizzati per fabbricare dispositivi elettronici commerciali e circuiti integrati.

I singoli cristalli esagonali vengono avviati da "semi" di grafite e quindi cresciuti su una lamina di rame all'interno di una camera contenente gas metano utilizzando un processo chiamato deposizione chimica da vapore. Il metodo di crescita seminato, fondamentale per le nuove scoperte, è stato inventato da Qingkai Yu, autore co-corrispondente per lo studio e un assistente professore presso la Ingram School of Engineering della Texas State University.

"Utilizzando questi semi, possiamo far crescere una serie ordinata di migliaia o milioni di singoli cristalli di grafene, " ha detto Yu, che ha aperto la strada al metodo mentre era ricercatore presso l'Università di Houston. "Speriamo che l'industria esamini questi risultati e consideri gli array ordinati come un possibile mezzo per fabbricare dispositivi elettronici".

I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca apparso online questa settimana e nel numero di giugno di Materiali della natura . Il lavoro è stato condotto dai ricercatori della Purdue, l'Università di Houston, Università statale del Texas, Laboratorio nazionale di Brookhaven, Argonne National Laboratories e Carl Zeiss SMT Inc.

Attualmente il grafene viene creato in lastre "policristalline" composte da "grani" posizionati casualmente e di forma irregolare fusi insieme. Avere un array ordinato significa che le posizioni di ciascun cristallo sono prevedibili, e non casuali in quanto sono in film policristallino.

Gli array consentono ai ricercatori di posizionare con precisione i dispositivi elettronici in ogni grano, che è un singolo cristallo avente una struttura reticolare senza soluzione di continuità che migliora le proprietà elettriche, disse Eric Stach, un ricercatore a Brookhaven ed ex professore di ingegneria dei materiali alla Purdue.

I nuovi risultati della ricerca hanno confermato una teoria secondo cui il flusso di elettroni è ostacolato nel punto in cui un grano incontra un altro. Gli array di grani di cristallo singolo potrebbero eliminare questo problema.

I ricercatori hanno dimostrato di poter controllare la crescita degli array ordinati; sono stati i primi a dimostrare le proprietà elettroniche dei singoli bordi di grano; e hanno scoperto che i bordi di un singolo grano cristallino esagonale sono paralleli a direzioni ben definite nel reticolo atomico del grafene, rivelando l'orientamento di ogni cristallo.

Conoscere l'orientamento è necessario per misurare le proprietà precise dei cristalli, fornire le informazioni necessarie per creare dispositivi elettronici migliori. Per determinare l'orientamento del reticolo di grafene, i ricercatori hanno utilizzato due tipi di tecniche di microscopia avanzate note come microscopia elettronica a trasmissione e microscopia a effetto tunnel. Le tecniche hanno fornito immagini ad altissima risoluzione dei singoli atomi di carbonio che compongono il grafene.

Le proprietà elettroniche attraverso i bordi dei grani sono state misurate utilizzando minuscoli elettrodi collegati a due grani adiacenti.

I risultati hanno dimostrato una maggiore resistenza elettrica ai bordi dei grani e hanno anche mostrato che i bordi ostacolano la conduzione elettrica a causa della dispersione degli elettroni. Tale risultato è stato correlato utilizzando un'altra tecnica chiamata spettroscopia Raman.

Il documento è stato scritto dallo studente laureato Yu e Purdue Luis A. Jauregui, Wei Wu, studente laureato a Houston, Lo studente laureato alla Purdue Robert Colby, Jifa Tian, ​​ricercatrice post-dottorato di Purdue, insieme ad altri 12 ricercatori tra cui Stach e Chen.