Questo è il concept art della struttura cristallina (vista dall'alto) del grafene a doppio strato impilato AB. Credito:Peter Allen, UCSB
Ricercatori dell'Università della California, Santa Barbara, in collaborazione con la Rice University, hanno recentemente dimostrato una tecnica di sintesi rapida per film di grafene a doppio strato impilati Bernal (o AB) di ampia area che può aprire nuove strade per l'elettronica digitale e le applicazioni di conduttori trasparenti.
L'invenzione include anche la prima dimostrazione di un transistor ad effetto di campo (FET) a doppia porta al grafene a doppio strato, mostrando un rapporto record di commutazione del transistor ON/OFF e la mobilità del vettore che potrebbe guidare la futura elettronica a bassissima potenza e basso costo.
Il grafene è il cristallo atomico bidimensionale più sottile conosciuto (~0,5 nanometri per strato). Ha suscitato ampio interesse grazie alle sue promettenti proprietà elettriche e termiche e alle potenziali applicazioni nell'elettronica e nella fotonica. Però, molte di queste applicazioni sono significativamente limitate dal gap di banda zero del grafene che si traduce in transistor che perdono non adatti all'elettronica digitale.
"Oltre alle sue superfici atomicamente lisce, un considerevole gap di banda fino a ~ 0,25 eV può essere aperto nel grafene a doppio strato creando una differenza di potenziale tra i due strati, e quindi rompendo la simmetria intrinseca, se i due strati possono essere allineati lungo un certo orientamento (Bernal o AB)" ha spiegato Kaustav Banerjee, professore di ingegneria elettrica e informatica e direttore del Nanoelectronics Research Lab presso l'UCSB. "I transistor a doppio gate sono stati progettati specificamente per consentire di stabilire tale differenza di potenziale tra gli strati attraverso uno dei gate, mentre la seconda porta modulava le portanti nel canale, " ha aggiunto. Il team di ricerca di Banerjee include anche i ricercatori dell'UCSB Wei Liu, Stephan Kraemer, Deblina Sarkar, Hong Li e il professor Pulickel Ajayan della Rice University. Il loro studio è stato recentemente pubblicato in Chimica dei materiali .
Questo è il concept art di una vista schematica di un film di grafene impilato AB sintetizzato dai ricercatori dell'UC Santa Barbara utilizzando un catalizzatore in lega bifunzionale ingegnerizzato stechiometria. Credito:Peter Allen, UCSB
I film di grafene sono stati coltivati in modo deterministico utilizzando una superficie di lega bifunzionale ingegnerizzata (Cu:Ni) a una temperatura relativamente bassa di 920 °C. Ampia area (> 3 pollici x 3 pollici) Bernal (o AB) è stata dimostrata la crescita di grafene a doppio strato impilato in pochi minuti e con una copertura dell'area quasi del 100%. I film di grafene a doppio strato hanno mostrato una mobilità degli elettroni fino a 3450 cm2/(V*s), che è paragonabile a quello del grafene a doppio strato esfoliato, confermando così una qualità molto elevata. La qualità del grafene cresciuto è stata ulteriormente corroborata dalla dimostrazione di FET ad alte prestazioni con un rapporto ON/OFF record che è un requisito chiave nell'elettronica digitale a bassa potenza.
"Il raggiungimento della modalità di crescita catalitica superficiale del grafene e il controllo preciso della concentrazione di carbonio superficiale sono stati fattori chiave per la cinetica di crescita favorevole per il grafene a doppio strato impilato AB, " ha spiegato Wei Liu, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Banerjee e coautore dell'articolo. Nel 2011, Il gruppo di Banerjee ha dimostrato un metodo di sintesi del grafene monostrato su vasta area utilizzando un substrato di rame come catalizzatore.
Il grafene a doppio strato è simile al grafene monostrato in termini di spessore del film con una struttura atomica esagonale e può essere derivato dalla sua forma bulk stratificata (grafite) in cui gli strati adiacenti sono tenuti insieme da forze di van der Waals relativamente deboli. "Però, a parte la sua sintonizzabilità del gap di banda, il grafene a doppio strato presenta alcuni vantaggi chiave rispetto al grafene a strato singolo. Ha una maggiore densità di stati e soffre molto meno degli effetti di interfaccia, che sono utili per migliorare la capacità di carico corrente, "Liu continuò.
"Questa dimostrazione è davvero impressionante e dovrebbe avere implicazioni di vasta portata per l'intera comunità dei materiali 2D, " ha commentato il professor Ali Javey, dell'Università della California, Berkeley e un condirettore del Bay Area Photovoltaic Consortium (BAPVC).
