Un team di ricercatori della Penn State ha sviluppato transistor ad effetto di campo utilizzando grafene e nitruro di boro esagonale su un wafer da 75 millimetri, un passo significativo verso l'elettronica basata sul grafene.
(Phys.org) -- Il grafene è il materiale meraviglioso che potrebbe risolvere il problema di realizzare computer sempre più veloci e dispositivi mobili più piccoli quando l'attuale tecnologia dei microchip di silicio si scontra con un inevitabile muro. Grafene, un singolo strato di atomi di carbonio in una stretta disposizione esagonale, è stato molto ricercato per le sue incredibili proprietà elettroniche, con velocità teoriche 100 volte maggiori del silicio. Ma mettere il materiale in un microchip che potrebbe superare l'attuale tecnologia al silicio si è rivelato difficile.
La risposta potrebbe risiedere in nuovi sistemi su scala nanometrica basati su strati ultrasottili di materiali con proprietà esotiche. Chiamati materiali stratificati bidimensionali, questi sistemi potrebbero essere importanti per la microelettronica, vari tipi di sensori ipersensibili, catalisi, ingegneria dei tessuti e stoccaggio di energia. I ricercatori della Penn State hanno applicato uno di questi materiali a strati 2D, una combinazione di grafene e nitruro di boro esagonale, per produrre migliori prestazioni dei transistor su scala industriale.
“Altri gruppi hanno dimostrato che il grafene su nitruro di boro può migliorare le prestazioni da due a tre volte, ma non in un modo che potrebbe essere ridimensionato. Per la prima volta, siamo stati in grado di prendere questo materiale e applicarlo per realizzare transistor su scala wafer, "ha detto Joshua Robinson, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State e l'autore corrispondente su un articolo che riporta il loro lavoro nella versione online della rivista ACS Nano .
Nell'articolo, il team di Penn State descrive un metodo per integrare un sottile strato di grafene spesso solo uno o due atomi, con un secondo strato di nitruro di boro esagonale (hBN) con uno spessore di pochi atomi fino a diverse centinaia di atomi. Il materiale a doppio strato risultante costituisce il passo successivo nella creazione di transistor funzionali ad effetto di campo in grafene per dispositivi elettronici e optoelettronici ad alta frequenza.
Precedenti ricerche di altri gruppi hanno dimostrato che un materiale comune chiamato nitruro di boro esagonale (hBN), una miscela sintetica di boro e azoto che viene utilizzata come lubrificante industriale e si trova in molti cosmetici, è un potenziale sostituto del biossido di silicio e di altri dielettrici ad alte prestazioni che non sono riusciti a integrarsi bene con il grafene. Poiché il boro si trova accanto al carbonio sulla tavola periodica, e il nitruro di boro esagonale ha una disposizione degli atomi simile a quella del grafene, i due materiali si abbinano bene elettronicamente. Infatti, L'hBN è spesso indicato come grafene bianco. Per essere più che un interesse accademico per il laboratorio, però, il doppio strato di hBN-grafene doveva essere coltivato su scala di wafer - da circa 3 pollici (75 mm) a quasi 12 pollici (300 mm).
Il team di Penn State ha risolto questo problema utilizzando una tecnica precedente sviluppata nel loro laboratorio per produrre un'uniforme, vasta area, e uno strato di grafene epitassiale di alta qualità adatto per applicazioni ad alta frequenza. Questo "grafene epitassiale quasi indipendente" è stato prodotto attaccando atomi di idrogeno al grafene per "passivare i legami penzolanti, ” essenzialmente appiattendo e levigando il film di grafene. Il nitruro di boro esagonale è stato quindi coltivato su un substrato di metallo di transizione utilizzando una tecnica di deposizione chimica da vapore che è standard nella produzione. L'hBN è stato rilasciato dal substrato tramite uno dei numerosi processi di trasferimento e stratificato sopra il grafene su un wafer da 75 mm, segnando la prima integrazione del grafene epitassiale con hBN su una scala compatibile con le esigenze del settore.
Basandosi sul loro precedente lavoro con il grafene epitassiale, che aveva già aumentato le prestazioni dei transistor di due o tre volte, questa ricerca aggiunge un ulteriore miglioramento da due a tre volte delle prestazioni e mostra il forte potenziale per l'utilizzo del grafene nell'elettronica, secondo Robinson. Nel futuro prossimo, il team di Penn State spera di dimostrare circuiti integrati a base di grafene e dispositivi ad alte prestazioni adatti per la produzione su scala industriale su wafer da 100 mm.
“Utilizziamo tutta la litografia standard, che è importante per la nanoproduzione, ” ha aggiunto Robinson. Al fine di intaccare l'industria altamente competitiva dei microchip, un nuovo sistema di materiali deve essere compatibile con l'attuale tecnologia di elaborazione e offrire un significativo aumento delle prestazioni.
Il nitruro di boro-grafene è uno dei numerosi sistemi a strati bidimensionali emergenti le cui proprietà su scala nanometrica stanno appena iniziando a essere scoperte. Dimensionalità, secondo i premi Nobel Novoselov e Geim, è uno dei parametri dei materiali più determinanti e può dare origine a proprietà notevolmente diverse a seconda che la struttura del materiale sia 0-D, 1-D, 2-D o 3-D. Penn State è tra i pionieri che si stanno muovendo in quella che potrebbe rivelarsi una nuova frontiera della scienza dei materiali.
Oltre a Robinson, i coautori dell'articolo di ACS Nano sono Michael Bresnehan, Matteo Hollander, Maxwell Wetherington, Michael La Bella, Kathleen Trumbull, Randal Cavalero, e David Snyder, tutto Penn State. Il lavoro è stato supportato dal Naval Surface Warfare Center Crane, e il supporto per la strumentazione è stato fornito dal National Nanotechnology Infrastructure Network a Penn State.
