Un team di ricercatori della National University of Singapore (NUS), guidato dal professor Loh Kian Ping, che dirige il Dipartimento di Chimica presso la Facoltà di Scienze del NUS, ha sviluppato con successo un metodo innovativo in un'unica fase per coltivare e trasferire grafene di alta qualità su silicio e altri substrati rigidi, aprendo opportunità per l'utilizzo del grafene in applicazioni di alto valore che attualmente non sono tecnologicamente fattibili.

Questa svolta, ispirato da come coleotteri e raganelle tengono i piedi attaccati alle foglie sommerse, è la prima tecnica pubblicata che realizza sia le fasi di crescita che di trasferimento del grafene su un wafer di silicio. Questa tecnica consente l'applicazione tecnologica del grafene nella fotonica e nell'elettronica, per dispositivi come modulatori optoelettronici, transistor, biosensori on-chip e barriere tunnel.

L'innovazione è stata pubblicata per la prima volta online su una prestigiosa rivista scientifica Natura l'11 dicembre 2013.

Domanda di grafene nelle industrie a base di silicio

Il grafene ha attirato molta attenzione negli ultimi anni a causa della sua eccezionale elettronica, proprietà ottiche e meccaniche, nonché il suo utilizzo come pellicole conduttive trasparenti per pannelli touch screen di elettrodi. Però, la produzione di film di grafene su scala wafer di alta qualità è afflitta da molte sfide, tra cui l'assenza di una tecnica per coltivare e trasferire il grafene con difetti minimi per l'uso nelle industrie dei semiconduttori.

Ha detto il prof Loh, che è anche ricercatore principale presso il Centro di ricerca sul grafene presso la Facoltà di scienze NUS, "Sebbene ci siano molte potenziali applicazioni per il grafene flessibile, va ricordato che ad oggi, la maggior parte dei semiconduttori opera su substrati "rigidi" come silicio e quarzo".

"La crescita diretta del film di grafene su wafer di silicio è utile per consentire molteplici applicazioni optoelettroniche, ma gli attuali sforzi di ricerca rimangono radicati nella fase di prova del concetto. È assolutamente necessario un metodo di trasferimento al servizio di questo segmento di mercato, ed è stato trascurato nell'hype per i dispositivi flessibili, " ha aggiunto il prof.

Traendo ispirazione da scarafaggi e raganelle

Per colmare l'attuale divario tecnologico, il team NUS guidato dal Prof Loh ha tratto spunto da come coleotteri e raganelle tengono i piedi attaccati alle foglie completamente sommerse, e ha sviluppato un nuovo processo chiamato "trasferimento faccia a faccia".

Dottor Gao Libo, il primo autore dell'articolo e ricercatore presso il Centro di ricerca sul grafene presso la Facoltà di Scienze della NUS, cresciuto grafene su uno strato di catalizzatore di rame che ricopre un substrato di silicio. Dopo la crescita, il rame viene asportato mentre il grafene viene trattenuto da bolle che formano ponti capillari, simili a quelli visti intorno ai piedi di scarafaggi e raganelle attaccate a foglie sommerse. I ponti capillari aiutano a trattenere il grafene sulla superficie del silicio e prevengono la sua delaminazione durante l'attacco del catalizzatore di rame. Il grafene si attacca quindi allo strato di silicio.

Per facilitare la formazione di ponti capillari, una fase di pretrattamento che prevedeva l'iniezione di gas nel wafer è stata applicata dal dott. Gao. Questo aiuta a modificare le proprietà dell'interfaccia e facilita la formazione di ponti capillari durante l'infiltrazione di un liquido di rimozione del catalizzatore. La co-aggiunta di tensioattivo aiuta ad appianare eventuali pieghe e pieghe che possono essere create durante il processo di trasferimento.

Applicazioni industriali e nuove intuizioni

Questa nuova tecnica di coltivazione del grafene direttamente su wafer di silicio e altri substrati rigidi sarà molto utile per lo sviluppo di piattaforme emergenti rapidamente in grafene su silicio, che hanno mostrato una promettente gamma di applicazioni. Il metodo di "trasferimento faccia a faccia" sviluppato dal team NUS è adatto anche alle linee di produzione di semiconduttori processati in batch, come la fabbricazione di circuiti integrati su larga scala su wafer di silicio.

Per approfondire la loro ricerca, Il professor Loh e il suo team ottimizzeranno il processo al fine di ottenere una produzione ad alto rendimento di grafene di grande diametro su silicio, nonché mirare a specifiche applicazioni abilitate al grafene su silicio. Il team sta applicando le tecniche anche ad altri film bidimensionali. Sono ora in corso colloqui con potenziali partner del settore.