Un nanofilo di grafene gira un angolo. Il nanofilo è stato creato tramite un processo inventato alla Rice University in cui uno strato d'acqua spesso solo poche molecole funge da maschera. Credito:Tour Group/Rice University
Una nuova ricerca presso la Rice University mostra come l'acqua renda pratico formare lunghi nanonastri di grafene larghi meno di 10 nanometri.
Ed è improbabile che molti degli altri laboratori che stanno attualmente cercando di sfruttare il potenziale del grafene, un foglio di carbonio a un solo atomo, per la microelettronica avrebbe escogitato la tecnica trovata dai ricercatori della Rice mentre cercavano qualcos'altro.
La scoperta dell'autore principale Vera Abramova e del coautore Alexander Slesarev, entrambi studenti laureati nel laboratorio del chimico del riso James Tour, appare online questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .
Si è scoperto che un po' d'acqua assorbita dall'atmosfera funge da maschera in un processo che inizia con la creazione di modelli tramite litografia e termina con lunghissimi, nanonastri di grafene molto sottili. I nastri si formano ovunque l'acqua si raccolga nel cuneo tra il motivo in rilievo e la superficie del grafene.
La formazione dell'acqua è chiamata menisco; si crea quando la tensione superficiale di un liquido lo fa curvare. Nel processo del riso, la maschera del menisco protegge un minuscolo nastro di grafene dall'incisione quando il disegno viene rimosso.
Una sottile linea di grafene collega due elettrodi in un transistor ad effetto di campo di prova costruito alla Rice University. I nanonastri di grafene sono stati creati con un nuovo processo che dipende da una maschera meniscale spessa poche molecole d'acqua. Credito:Tour Group/Rice University
Tour ha affermato che qualsiasi metodo per formare cavi lunghi solo pochi nanometri dovrebbe attirare l'interesse dei produttori di microelettronica mentre si avvicinano ai limiti della loro capacità di miniaturizzare i circuiti. "Non potranno mai sfruttare i più piccoli dispositivi su nanoscala se non possono affrontarli con un cavo su nanoscala, " ha detto. "In questo momento, i produttori possono realizzare piccole caratteristiche, o creare grandi funzionalità e metterle dove vogliono. Ma averli entrambi è stato difficile. Essere in grado di modellare una linea così sottile proprio dove vuoi è un grosso problema perché ti permette di sfruttare le dimensioni ridotte dei dispositivi su scala nanometrica".
Tour ha affermato che la tendenza dell'acqua ad aderire alle superfici è spesso fastidiosa, ma in questo caso è essenziale per il processo. "Ci sono grandi macchine utilizzate nella ricerca elettronica che spesso vengono riscaldate a centinaia di gradi sotto vuoto ultra spinto per eliminare tutta l'acqua che aderisce alle superfici interne, " ha detto. "Altrimenti ci sarà sempre uno strato d'acqua. Nei nostri esperimenti, l'acqua si accumula ai margini della struttura e protegge il grafene dall'attacco ionico reattivo (RIE). Quindi nel nostro caso, che l'acqua residua è la chiave del successo.
"Nessuno ci ha mai pensato prima, e non è niente a cui abbiamo pensato, " Tour ha detto. "Questo è stato fortuito."
Abramova e Slesarev avevano deciso di fabbricare nanonastri invertendo un metodo sviluppato da un altro laboratorio della Rice per creare spazi ridotti nei materiali. Il metodo originale utilizzava la capacità di alcuni metalli di formare uno strato di ossido nativo che si espande e protegge il materiale proprio sul bordo della maschera metallica. Il nuovo metodo ha funzionato, ma non come previsto.
"All'inizio sospettavamo che ci fosse una sorta di ombra, " ha detto Abramova. Ma altri metalli che non si sono espansi così tanto, se non del tutto, non ha mostrato alcuna differenza, né ha fatto variare la profondità del modello. "Fondamentalmente stavo cercando qualcosa che potesse cambiare qualcosa."
Ci sono voluti due anni per sviluppare e testare la teoria del menisco, durante il quale i ricercatori hanno anche confermato il suo potenziale per creare fili sub-10 nanometri da altri tipi di materiali, compreso il platino. Hanno anche costruito transistor ad effetto di campo per verificare le proprietà elettroniche dei nanonastri di grafene.
Per essere sicuri che l'acqua spieghi davvero i nastri, hanno cercato di eliminarne l'effetto asciugando prima i modelli riscaldandoli sotto vuoto, e poi spostando l'acqua con acetone per eliminare il menisco. In entrambi i casi, non sono stati creati nanonastri di grafene.
I ricercatori stanno lavorando per controllare meglio la larghezza dei nanonastri, e sperano di rifinire i bordi dei nanonastri, che aiutano a dettare le loro proprietà elettroniche.
"Con questo studio, abbiamo capito che non hai bisogno di strumenti costosi per ottenere queste caratteristiche limitate, "Ha detto Tour. "Puoi usare gli strumenti standard che una fab line ha già per creare caratteristiche più piccole di 10 nanometri".
