(PhysOrg.com) -- I ricercatori di nanotecnologia del Georgia Institute of Technology hanno condotto il primo confronto diretto di due tecniche fondamentali che potrebbero essere utilizzate per drogare chimicamente fogli di grafene bidimensionale per la fabbricazione di dispositivi e interconnessioni.

Il drogaggio chimico viene normalmente utilizzato nei semiconduttori tridimensionali convenzionali per controllare la densità dei portatori di elettroni che sono essenziali per il funzionamento di dispositivi come i transistor. Ma il grafene, un semimetallo disponibile in lastre spesse un solo atomo, ha proprietà molto diverse dai materiali tradizionali come il silicio, anche se i ricercatori affermano che il doping sarà ancora necessario per la produzione di dispositivi elettronici.

La cattiva notizia è che i progettisti elettronici che lavorano con il grafene non saranno in grado di applicare semplicemente ciò che hanno fatto con i semiconduttori tridimensionali, il che si tradurrebbe in una qualità del materiale notevolmente degradata per il grafene. Le buone notizie, secondo lo studio, è che il drogaggio del grafene può essere combinato con altri processi e deve essere applicato solo ai bordi delle strutture su scala nanometrica che vengono fabbricate.

"Stiamo imparando a manipolare questi fogli bidimensionali di atomi di carbonio per ottenere risultati molto insoliti che non sono disponibili con nessun altro materiale, "ha detto James Meindl, direttore del Centro di ricerca sulle nanotecnologie della Georgia Tech, dove è stata condotta la ricerca. "Dopare il grafene per cercare di influenzare le sue proprietà è importante per poterlo utilizzare in modo efficace".

I dettagli della ricerca sono stati pubblicati online sulla rivista Carbonio il 29 ottobre. La ricerca è stata supportata dalla Semiconductor Research Corporation (SRC), la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) attraverso l'Interconnect Focus Center, e la National Science Foundation (NSF).

Poiché i fogli di grafene contengono così pochi atomi per area, la sostituzione di elementi come ossigeno o azoto per atomi di carbonio nel reticolo, come nel drogaggio convenzionale, riduce l'elevata mobilità degli elettroni e altre proprietà che rendono il materiale interessante. Quindi i ricercatori stanno ripensando al processo di doping per sfruttare le proprietà uniche del grafene.

"Quando lavoriamo con un semiconduttore tridimensionale, incorporiamo la specie drogante nel materiale sfuso e poi lo fabbrichiamo in un dispositivo, "ha detto Kevin Brenner, un assistente di ricerca laureato presso la Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering. “Con il grafene, drogheremo il materiale mentre lo elaboriamo e lo fabbrichiamo in dispositivi o interconnessioni. Il doping può essere eseguito come parte di altre fasi di fabbricazione come l'incisione al plasma, e questo ci richiederà di reinventare l'intero processo".

Utilizzando fogli di grafene esfoliato, Brenner e i suoi collaboratori Raghu Murali e Yinxiao Yang hanno valutato l'efficacia di due diverse tecniche:la passivazione dei bordi mediante l'accoppiamento della litografia a fascio di elettroni con un materiale resist comune, e adsorbimento dal rivestimento della superficie del materiale. Hanno scoperto che il trattamento del bordo, che reagisce chimicamente con i difetti creati durante il taglio del materiale, era mille volte più efficiente nel produrre supporti nei fogli di grafene rispetto al trattamento superficiale.

"Lavoreremo solo con i bordi del materiale, Brenner ha spiegato. “Questo ci permetterà di lasciare il centro intatto e privo di difetti. Utilizzando questo approccio, possiamo mantenere mobilità molto elevate e le proprietà speciali del grafene creando al contempo densità di portatori molto elevate”.

A causa della natura bidimensionale del grafene, il controllo della chimica del bordo può fornire il controllo sulle proprietà di massa del foglio. “A dimensioni nanometriche, gli atomi di bordo tendono a dominare sulle tecniche di assorbimento superficiale, ” ha aggiunto. “Con un dispositivo al grafene di sette nanometri per sette nanometri, la passivazione di un solo atomo di C del bordo fornisce l'equivalente drogante di coprire l'intera superficie.

Per drogare il bordo di una struttura di grafene, il team ha applicato un film sottile di idrogeno silsesquiossano (HSQ), una sostanza chimica normalmente utilizzata come resist per l'incisione, poi ha usato la litografia a fascio di elettroni per reticolare il materiale, che ha aggiunto atomi di ossigeno ai bordi per creare drogaggio di tipo p. Il sistema resist e fascio di elettroni si è combinato per fornire un controllo su scala nanometrica su dove si sono verificati i cambiamenti chimici.

Il trattamento antidoping potrebbe essere applicato anche mediante incisione al plasma, ha detto il Brennero. Controllo degli atomi specifici utilizzati nel plasma, o condurre il processo di attacco in un ambiente contenente atomi specifici, potrebbe guidare quegli atomi nei bordi dove servirebbero come droganti.

"Ogni volta che crei un vantaggio, hai creato una posizione in cui puoi passivare usando un drogante, ” ha aggiunto. “Invece di doverlo incorporare nella superficie, puoi semplicemente prendere il bordo che è già lì e passivarlo con l'ossigeno, azoto, idrogeno o altro drogante. Potrebbe essere un processo quasi senza sforzo perché il doping può essere fatto come parte di un altro passo”.

Oltre a fabbricare dispositivi elettronici, Gli scienziati del Centro di ricerca sulle nanotecnologie sono interessati all'utilizzo del grafene per le interconnessioni, potenzialmente in sostituzione del rame. Man mano che le strutture di interconnessione diventano sempre più piccole, la resistività del rame aumenta. I fogli di grafene drogati ai bordi mostrano una tendenza all'aumento del drogaggio con dimensioni ridotte, forse diventando più conduttivo man mano che le loro dimensioni si riducono al di sotto dei 50 nanometri, rendendoli attraenti per le interconnessioni su scala nanometrica.

Armati di informazioni di base sul doping di grafene, i ricercatori sperano di iniziare ora a produrre dispositivi per studiare le prestazioni effettive del grafene.

"Ora che abbiamo iniziato a capire come drogare il materiale, il prossimo passo è iniziare a mettere questo in dispositivi su scala nanometrica, ” ha detto Brennero. “Vogliamo vedere che tipo di prestazioni possiamo ottenere. Questo potrebbe dirci dove potrebbe essere la nicchia del grafene come materiale elettronico”.

Meindl, che ha lavorato con il silicio dagli albori dei circuiti integrati, dice che è troppo presto per prevedere dove il grafene troverà alla fine applicazioni commerciali. Ma dice che le proprietà del materiale sono troppo interessanti per non esplorarle.

"È probabile che dall'uso del grafene si svilupperà qualcosa di molto interessante e unico, ” ha detto. "Ma non abbiamo ancora la capacità di prevedere cosa saremo in grado di fare con questo nuovo materiale".