Gli scienziati del Georgia Institute of Technology hanno fornito per la prima volta i dettagli della loro tecnica di "sublimazione controllata dal confinamento" per la crescita di strati di alta qualità di grafene epitassiale su wafer di carburo di silicio. La tecnica si basa sul controllo della pressione di vapore del silicio in fase gassosa nel forno ad alta temperatura utilizzato per la fabbricazione del materiale.

Il principio di base per la crescita di strati sottili di grafene sul carburo di silicio richiede il riscaldamento del materiale a circa 1, 500 gradi Celsius sotto vuoto spinto. Il calore allontana il silicio, lasciando uno o più strati di grafene. Ma l'evaporazione incontrollata del silicio può produrre materiale di scarsa qualità inutile per i progettisti di dispositivi elettronici.

"Per coltivare grafene di alta qualità su carburo di silicio, è essenziale controllare l'evaporazione del silicio alla giusta temperatura, " disse Walt de Heer, un professore che ha aperto la strada alla tecnica nella Georgia Tech School of Physics. "Controllando con precisione la velocità con cui il silicio si stacca dal wafer, possiamo controllare la velocità con cui viene prodotto il grafene. Questo ci consente di produrre strati molto piacevoli di grafene epitassiale".

De Heer e il suo team iniziano inserendo un wafer di carburo di silicio in un involucro di grafite. Un piccolo foro nel contenitore controlla la fuoriuscita degli atomi di silicio mentre il wafer di un centimetro quadrato viene riscaldato, mantenendo il tasso di evaporazione e condensazione del silicio vicino al suo equilibrio termico. La crescita del grafene epitassiale può essere effettuata sotto vuoto o in presenza di un gas inerte come argon, e può essere utilizzato per produrre sia strati singoli che strati multipli del materiale.

"Questa tecnica sembra essere completamente in linea con ciò che le persone potrebbero fare un giorno nelle strutture di fabbricazione, " ha detto de Heer. "Riteniamo che questo sia abbastanza significativo nel permetterci di coltivare in modo razionale e riproducibile il grafene sul carburo di silicio. Riteniamo di aver capito ora il processo, e credo che potrebbe essere ampliato per la produzione di elettronica."

La tecnica per la crescita di strati di grafene epitassiale di grandi dimensioni è stata descritta questa settimana nella prima edizione della rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . La ricerca è stata supportata dalla National Science Foundation attraverso il Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), l'Ufficio per la Ricerca Scientifica dell'Aeronautica Militare, e il W.M. Fondazione Keck.

Il documento descrive anche una tecnica per far crescere sottili nastri di grafene, un processo che il gruppo di de Heer ha chiamato "crescita modello". quella tecnica, che potrebbe essere utile per realizzare interconnessioni di grafene, è stato descritto per la prima volta nell'ottobre 2010 nella rivista Nanotecnologia della natura .

La tecnica di crescita modellata prevede l'incisione di modelli nelle superfici di carburo di silicio utilizzando processi di nanolitografia convenzionali. I modelli servono come modelli che dirigono la crescita delle strutture di grafene su porzioni delle superfici modellate. La tecnica forma nanonastri di larghezze specifiche senza l'uso di fasci di elettroni o altre tecniche di taglio distruttive. I nanonastri di grafene prodotti con questi modelli hanno bordi lisci che evitano problemi con la diffusione degli elettroni.

Insieme, le due tecniche forniscono ai ricercatori la flessibilità di produrre grafene in forme adeguate alle diverse esigenze, de Heer ha osservato. Fogli di grafene di ampia area possono essere coltivati ​​su entrambi i lati con terminazione di carbonio e silicio di un wafer di carburo di silicio, mentre i nastri stretti possono essere cresciuti sul lato terminato con silicio. A causa delle diverse tecniche di lavorazione, può essere utilizzato solo un lato di un particolare wafer.

Il team di ricerca della Georgia Tech, che include Claire Berger, Ming Ruan, Mike Cospargere, Xuebin Li, Yike Hu, Baiqian Zhang, John Hankinson e Edward Conrad – hanno finora fabbricato strutture strette fino a 10 nanometri utilizzando la tecnica di crescita modellata. Questi nanofili mostrano interessanti proprietà di trasporto quantistico.

"Possiamo realizzare ottimi cavi quantistici utilizzando la tecnica di crescita modellata, " ha detto de Heer. "Possiamo realizzare grandi strutture e dispositivi che dimostrino l'effetto Quantum Hall, che è importante per molte applicazioni. Abbiamo dimostrato che la crescita modellata può arrivare fino alla nanoscala, e che lì le proprietà migliorano ulteriormente."

Lo sviluppo della tecnica di sublimazione è nato dagli sforzi per proteggere il grafene in crescita dall'ossigeno e da altri contaminanti nel forno. Per affrontare i problemi di qualità, il team di ricerca ha provato a racchiudere il wafer in un contenitore di grafite da cui è stato permesso di fuoriuscire del gas di silicio.

"Ci siamo presto resi conto che il grafene coltivato nel contenitore era molto meglio di quello che stavamo producendo, " De Heer ha ricordato. "In origine, pensavamo che fosse perché lo stavamo proteggendo dai contaminanti. Dopo, ci siamo resi conto che era perché stavamo controllando l'evaporazione del silicio".

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.

Sebbene i ricercatori stiano ancora lottando per progettare dispositivi di grafene epitassiale su scala nanometrica che sfruttino le proprietà uniche del materiale, de Heer è fiducioso che alla fine sarà fatto.

"Queste tecniche ci consentono di realizzare nanostrutture accurate e sembrano essere molto promettenti per realizzare i dispositivi su scala nanometrica di cui abbiamo bisogno, " ha detto. "Mentre ci sono serie sfide da affrontare per l'utilizzo del grafene nell'elettronica, abbiamo già superato i blocchi stradali".