(Phys.org)—Utilizzare il grafene – in alternativa a, o molto probabilmente come materiale complementare con – silicio, offre la promessa di un'elettronica futura molto più veloce, insieme a molti altri vantaggi rispetto al semiconduttore comunemente usato. Però, creare i fogli spessi di un atomo di carbonio noti come grafene in un modo che potrebbe essere facilmente integrato nei metodi di produzione di massa si è rivelato difficile.

Quando il grafene è cresciuto, i reticoli dei grani di carbonio si formano casualmente, collegati tra loro con diversi angoli di orientamento in una rete esagonale. Però, quando questi orientamenti diventano disallineati durante il processo di crescita, difetti chiamati forma bordi di grano (GB). Questi confini disperdono il flusso di elettroni nel grafene, un fatto che è dannoso per la sua riuscita prestazione elettronica.

I ricercatori Joe Lyding ed Eric Pop del Beckman Institute dell'Università dell'Illinois e i loro gruppi di ricerca hanno ora fornito nuove informazioni sul comportamento elettronico del grafene con bordi di grano che potrebbero guidare i metodi di fabbricazione verso la riduzione del loro effetto. I ricercatori hanno coltivato il grafene policristallino mediante deposizione chimica da vapore (CVD), utilizzando la microscopia a effetto tunnel e la spettroscopia per l'analisi, per esaminare i bordi dei grani su scala atomica su un wafer di silicio. Hanno riportato i loro risultati sulla rivista ACS Nano .

"Abbiamo ottenuto informazioni sulla diffusione degli elettroni ai confini che mostrano che limita significativamente le prestazioni elettroniche rispetto al grafene privo di bordi di grano, " ha detto Lyding. "I bordi del grano si formano durante la crescita del grafene da CVD, e, mentre ci sono molti sforzi in tutto il mondo per ridurre al minimo il verificarsi di confini di grano, sono un dato di fatto per ora.

"Per l'elettronica vorresti essere in grado di farlo su una scala di wafer. Il grafene senza confini è un obiettivo chiave. Nel frattempo dobbiamo convivere con i confini dei grani, quindi capirli è ciò che stiamo cercando di fare."

Lyding ha confrontato i reticoli di grafene realizzati con il metodo CVD con i pezzi di una recinzione ciclonica.

"Se avessi due pezzi di recinzione, e li hai posati per terra uno accanto all'altro ma non erano perfettamente allineati, allora non corrisponderebbero, " ha detto. "Questo è un confine di grano, dove il reticolo non corrisponde."

La ricerca ha coinvolto il gruppo di Pop, guidato dall'amico di Beckman Josh Wood, coltivare il grafene al Micro and Nanotechnology Lab, e trasferire i film sottili su un wafer di silicio (Si02). Hanno quindi utilizzato l'STM di Beckman sviluppato da Lyding per l'analisi, guidato dal primo autore Justin Koepke del gruppo di Lyding.

La loro analisi ha mostrato che quando il percorso degli elettroni li porta a un confine di grano, è come, Lyding ha detto, colpire una collina.

"Gli elettroni colpiscono questa collina, rimbalzano, interferiscono con se stessi e in realtà vedi un modello di onda stazionaria, " ha detto. "E 'una barriera quindi devono andare su e oltre quella collina. Come qualsiasi altra cosa, questo li rallenterà. Questo è ciò che Justin è stato in grado di misurare con queste misurazioni spettroscopiche.

"Fondamentalmente un confine di grano è un resistore in serie con un conduttore. Questo è sempre un male. Significa che ci vorrà più tempo perché un elettrone vada dal punto A al punto B con un po' di tensione applicata".

Le immagini dell'STM rivelano bordi di grana che suggeriscono due pezzi di stoffa cuciti insieme, Lyding ha detto, da "un pessimo sarto".

Nella carta, i ricercatori sono stati in grado di riferire sulla loro analisi degli angoli di orientamento tra i pezzi di grafene mentre crescevano insieme, e ha trovato "nessun angolo di orientamento preferenziale tra i grani, e i GB sono continui attraverso le rughe del grafene e la topografia Si02." Hanno riferito che l'analisi di questi modelli "indica che il backscattering e lo scattering intervallato sono i meccanismi dominanti responsabili della riduzione della mobilità in presenza di GB nel grafene cresciuto in CVD".

Lyding ha detto che la relazione tra l'angolo di orientamento dei pezzi di grafene e la lunghezza d'onda di un elettrone incide sul movimento dell'elettrone al confine del grano, determinando variazioni nella loro diffusione.

"Più diffusione significa che sta rendendo più difficile per un elettrone spostarsi da un grano all'altro, " ha detto. "Più difficile lo rendi, minore è la qualità delle prestazioni elettroniche di qualsiasi dispositivo realizzato con quel grafene."

Il lavoro dei ricercatori è finalizzato non solo alla comprensione, ma anche al controllo dei bordi di grano. Una delle loro scoperte - che i GB sono aperiodici - ha replicato altri lavori e potrebbe avere implicazioni per il loro controllo, come hanno scritto nel documento:"La combinazione dei risultati spettroscopici e di dispersione suggerisce che i GB più periodici e ben ordinati portano a una ridotta dispersione dai GB".

"Penso che se devi vivere con i bordi dei grani ti piacerebbe essere in grado di controllare esattamente qual è il loro orientamento e scegliere un angolo che riduca al minimo la dispersione, " ha detto Lyding.