Fabbricando strutture di grafene in cima a "gradini" su scala nanometrica incisi nel carburo di silicio, i ricercatori hanno creato per la prima volta un sostanziale gap elettronico nel materiale adatto per l'elettronica a temperatura ambiente. L'uso della topografia su scala nanometrica per controllare le proprietà del grafene potrebbe facilitare la fabbricazione di transistor e altri dispositivi, potenzialmente aprendo la porta allo sviluppo di circuiti integrati interamente in carbonio.

I ricercatori hanno misurato una banda proibita di circa 0,5 elettronvolt in sezioni piegate di 1,4 nanometri di nanonastri di grafene. Lo sviluppo potrebbe fornire una nuova direzione al campo dell'elettronica al grafene, che ha lottato con la sfida di creare il bandgap necessario per il funzionamento dei dispositivi elettronici.

"Questo è un nuovo modo di pensare a come realizzare elettronica al grafene ad alta velocità, " disse Edward Conrad, professore alla School of Physics del Georgia Institute of Technology. "Ora possiamo prendere seriamente in considerazione la realizzazione di transistor veloci dal grafene. E poiché il nostro processo è scalabile, se possiamo fare un transistor, possiamo potenzialmente farne milioni".

I risultati dovevano essere riportati il ​​18 novembre sulla rivista Fisica della natura . La ricerca, fatto al Georgia Institute of Technology di Atlanta e al SOLEIL, l'impianto di sincrotrone nazionale francese, è stato sostenuto dal Centro di ricerca e ingegneria dei materiali della National Science Foundation (MRSEC) presso la Georgia Tech, il W.M. Keck Foundation e il Partner University Fund dell'Ambasciata di Francia.

I ricercatori non hanno ancora capito perché i nanonastri di grafene diventino semiconduttori mentre si piegano per entrare in piccoli gradini – profondi circa 20 nanometri – che vengono tagliati nei wafer di carburo di silicio. Ma i ricercatori ritengono che la deformazione indotta quando il reticolo di carbonio si piega, insieme al confinamento degli elettroni, possono essere fattori che creano il bandgap. I nanonastri sono composti da due strati di grafene.

La produzione delle strutture semiconduttrici di grafene inizia con l'uso di e-beam per tagliare trincee in wafer di carburo di silicio, che sono normalmente lucidati per creare una superficie piana per la crescita del grafene epitassiale. Utilizzando un forno ad alta temperatura, decine di migliaia di nastri di grafene vengono poi cresciuti lungo i gradini, utilizzando la fotolitografia.

Durante la crescita, gli spigoli vivi delle "trincee" scavate nel carburo di silicio diventano più levigati man mano che il materiale tenta di riguadagnare la sua superficie piana. Il tempo di crescita deve quindi essere attentamente controllato per evitare che le strette caratteristiche del carburo di silicio si sciolgano troppo.

Anche la fabbricazione del grafene deve essere controllata lungo una direzione specifica in modo che il reticolo dell'atomo di carbonio cresca nei gradini lungo la direzione della "poltrona" del materiale. "È come cercare di piegare un pezzo di rete metallica, " Ha spiegato Conrad. "Vuole piegare solo in un modo".

La nuova tecnica consente non solo la creazione di un bandgap nel materiale, ma potenzialmente anche la fabbricazione di interi circuiti integrati da grafene senza la necessità di interfacce che introducono resistenza. Su entrambi i lati della sezione semiconduttiva del grafene, i nanonastri mantengono le loro proprietà metalliche.

"Possiamo fare migliaia di queste trincee, e possiamo farli ovunque vogliamo sul wafer, " ha detto Conrad. "Questo è più di un semplice grafene semiconduttore. Il materiale alle curve è semiconduttore, ed è attaccato al grafene continuamente su entrambi i lati. È fondamentalmente un incrocio di barriere Shottky."

Facendo crescere il grafene lungo un bordo della trincea e poi sull'altro lato, i ricercatori potrebbero in teoria produrre due barriere Shottky collegate, un componente fondamentale dei dispositivi a semiconduttore. Conrad e i suoi colleghi stanno ora lavorando per fabbricare transistor in base alla loro scoperta.

La conferma del bandgap è arrivata dalle misurazioni della spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta effettuate al Synchrotron CNRS in Francia. Là, i ricercatori hanno sparato potenti fasci di fotoni in matrici di nanonastri di grafene e misurato gli elettroni emessi.

"Puoi misurare l'energia degli elettroni che escono, e puoi misurare la direzione da cui escono, " ha detto Conrad. "Da quelle informazioni, puoi lavorare a ritroso per ottenere informazioni sulla struttura elettronica dei nanonastri."

I teorici avevano predetto che piegare il grafene avrebbe creato una banda proibita nel materiale. Ma il bandgap misurato dal team di ricerca era maggiore di quanto previsto.

Oltre a costruire transistor e altri dispositivi, nel lavoro futuro i ricercatori cercheranno di saperne di più su ciò che crea il bandgap e su come controllarlo. La proprietà può essere controllata dall'angolo della curvatura nel nanonastro di grafene, che può essere controllato modificando la profondità del gradino.

"Se provi a stendere un tappeto su una piccola imperfezione del pavimento, il tappeto ci passerà sopra e potresti anche non sapere che l'imperfezione è lì, " Spiegò Conrad. "Ma se superi un gradino, lo puoi dire. Probabilmente ci sono una serie di altezze in cui possiamo influenzare la curva".

Prevede che la scoperta creerà nuove attività mentre altri ricercatori sul grafene tenteranno di utilizzare i risultati.

"Se puoi dimostrare un dispositivo veloce, molte persone saranno interessate a questo, " Ha detto Conrad. "Se funziona su larga scala, potrebbe lanciare un mercato di nicchia per l'alta velocità, dispositivi elettronici ad alta potenza."