Fare le onde come il materiale che rivoluzionerà l'elettronica, Il grafene, composto da un singolo strato di atomi di carbonio, è stato comunque difficile da produrre in un modo che fosse pratico per applicazioni elettroniche innovative. I ricercatori dell'UC Santa Barbara hanno scoperto un metodo per sintetizzare il grafene di alta qualità in modo controllato che potrebbe aprire la strada all'applicazione dell'elettronica di prossima generazione.

Kaustav Banerjee, un professore del dipartimento di ingegneria elettrica e informatica e direttore del laboratorio di ricerca sulla nanoelettronica dell'UCSB che studia i nanomateriali di carbonio da più di sette anni, ha portato il team di ricerca a perfezionare metodi per coltivare fogli di grafene, come dettagliato in uno studio che sarà pubblicato nel numero di novembre 2011 della rivista Carbonio .

"Il nostro processo presenta alcuni vantaggi unici che danno origine a grafene di alta qualità, " afferma Banerjee. "Affinché l'industria elettronica possa utilizzare efficacemente il grafene, deve essere prima coltivato selettivamente e in fogli più grandi. Abbiamo sviluppato una tecnica di sintesi che produce grafene di alta qualità e alta uniformità che può essere tradotto in un processo scalabile per applicazioni industriali".

Usando del nastro adesivo per sollevare scaglie di grafene dalla grafite, I ricercatori dell'Università di Manchester Geim e Novoselov hanno ricevuto il Premio Nobel 2010 per la fisica per il loro isolamento pionieristico e la caratterizzazione del materiale. Per lanciare il grafene in applicazioni futuristiche, però, i ricercatori hanno cercato un modo controllato ed efficiente per far crescere una qualità superiore di questo materiale dello spessore di un singolo atomo in aree più grandi.

La scoperta dei ricercatori dell'UCSB trasforma la produzione di grafene in un processo favorevole all'industria migliorando la qualità e l'uniformità del grafene utilizzando metodi efficienti e riproducibili. Sono stati in grado di controllare il numero di strati di grafene prodotti, dal grafene monostrato al bistrato, una distinzione importante per le future applicazioni nell'elettronica e in altre tecnologie.

"Intel ha un vivo interesse per il grafene a causa delle molte possibilità che offre per la prossima generazione di computer efficienti dal punto di vista energetico, ma ci sono molti posti di blocco lungo la strada, " ha aggiunto Intel Fellow, Shechar Borkar. "La tecnica di sintesi scalabile sviluppata dal gruppo del professor Banerjee alla UCSB è un importante passo avanti".

Come materiale, il grafene è il più sottile e resistente al mondo, oltre 100 volte più resistente del diamante, ed è in grado di agire come un conduttore ultimo a temperatura ambiente. Se può essere prodotto in modo efficace, le proprietà del grafene lo rendono ideale per i progressi nell'elettronica verde, materiali super resistenti, e tecnologia medica. Il grafene potrebbe essere utilizzato per realizzare schermi flessibili e dispositivi elettronici, computer con 1, Processori da 000 GHz che funzionano praticamente senza energia, e celle solari ultra efficienti.

La chiave per la scoperta del team dell'UCSB è la loro comprensione della cinetica di crescita del grafene sotto l'influenza del substrato. Il loro approccio utilizza un metodo chiamato deposizione chimica da vapore a bassa pressione (LPCVD) e prevede la disintegrazione del gas idrocarburico metano a una specifica temperatura elevata per costruire strati uniformi di carbonio (come grafene) su un substrato di rame pretrattato. Il gruppo di ricerca di Banerjee ha stabilito una serie di tecniche che hanno ottimizzato l'uniformità e la qualità del grafene, controllando il numero di strati di grafene che sono cresciuti sul loro substrato.

Secondo il dottor Wei Liu, un ricercatore post-dottorato e coautore dello studio, "La crescita del grafene è fortemente influenzata dai siti di imperfezione sul substrato di rame. Con un adeguato trattamento della superficie del rame e una precisa selezione dei parametri di crescita, la qualità e l'uniformità del grafene sono notevolmente migliorate e il numero di strati di grafene può essere controllato."

Il professor Banerjee e gli autori accreditati Wei Liu, Hong Li, Chuan Xu e Yasin Khatami non sono il primo gruppo di ricerca a produrre grafene utilizzando il metodo CVD, ma sono i primi a perfezionare con successo metodi critici per far crescere un'alta qualità di grafene. Nel passato, una sfida chiave per il metodo CVD è stata quella di produrre una qualità inferiore di grafene in termini di mobilità del portatore o quanto bene conduce gli elettroni. "Il nostro grafene mostra la più alta mobilità ad effetto di campo riportata fino ad oggi per il grafene CVD, avente un valore medio di 4000 cm2/V.s con il valore di picco massimo a 5500 cm2/V.s. Questo è un valore estremamente alto rispetto alla mobilità del silicio." ha aggiunto Hong Li, un dottorato di ricerca candidato nel gruppo di ricerca di Banerjee.

"Il gruppo di Kaustav Banerjee sta guidando gli sforzi di ricerca sulla nanoelettronica del grafene presso l'UCSB, dalla sintesi dei materiali alla progettazione dei dispositivi e all'esplorazione dei circuiti. Il suo lavoro ha fornito al nostro campus capacità uniche e molto potenti, "aggiunse David Awschalom, Professore di Fisica, Ingegneria Elettrica e Informatica, e Direttore del California NanoSystems Institute (CNSI) presso l'UCSB, dove si trova il laboratorio di Banerjee. "Questa nuova struttura ha anche aumentato le nostre opportunità di collaborazione in varie discipline scientifiche e ingegneristiche".

"Non c'è dubbio che il grafene sia un materiale superiore. Intrinsecamente è sorprendente, " dice Banerjee. "Dipende da noi, gli scienziati e gli ingegneri, per mostrare come possiamo usare il grafene e sfruttare le sue capacità. Ci sono sfide su come coltivarlo, come trasferire o non trasferire e modellarlo, e come adattare le sue proprietà per applicazioni specifiche. Ma queste sfide sono terreno fertile per una ricerca entusiasmante in futuro".