Nell'ultima decade, il grafene è stato intensamente studiato per la sua ottica unica, meccanico, proprietà elettriche e strutturali. I fogli di carbonio dello spessore di un atomo potrebbero rivoluzionare il modo in cui vengono prodotti i dispositivi elettronici e portare a transistor più veloci, celle solari più economiche, nuovi tipi di sensori e dispositivi sensoriali bioelettrici più efficienti. Come potenziale elettrodo di contatto e materiale di interconnessione, il grafene su scala wafer potrebbe essere un componente essenziale nei circuiti microelettronici, ma la maggior parte dei metodi di fabbricazione del grafene non sono compatibili con la microelettronica al silicio, bloccando così il salto del grafene da potenziale materiale prodigioso a vero e proprio creatore di profitti.

Ora i ricercatori della Korea University, a Seul, hanno sviluppato un metodo facile e compatibile con la microelettronica per coltivare il grafene e hanno sintetizzato con successo la scala di wafer (quattro pollici di diametro), alta qualità, grafene multistrato su substrati di silicio. Il metodo si basa su una tecnica di impianto ionico, un processo in cui gli ioni vengono accelerati sotto un campo elettrico e frantumati in un semiconduttore. Gli ioni impattanti cambiano il fisico, proprietà chimiche o elettriche del semiconduttore.

In un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Lettere di fisica applicata , da AIP Publishing, i ricercatori descrivono il loro lavoro, che avvicina il grafene alle applicazioni commerciali nella microelettronica al silicio.

"Per l'integrazione del grafene nella microelettronica avanzata del silicio, grafene di grandi dimensioni privo di rughe, lacrime e residui devono essere depositati su wafer di silicio a basse temperature, che non possono essere raggiunti con le tecniche convenzionali di sintesi del grafene poiché spesso richiedono alte temperature, " ha detto Jihyun Kim, il team leader e professore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica dell'Università della Corea. "Il nostro lavoro mostra che la tecnica di impianto di ioni di carbonio ha un grande potenziale per la sintesi diretta del grafene su scala wafer per le tecnologie dei circuiti integrati".

Scoperto poco più di un decennio fa, il grafene è oggi considerato il più sottile, materiale più leggero e resistente al mondo. Il grafene è completamente flessibile e trasparente pur essendo economico e non tossico, e può condurre elettricità oltre che rame, trasportano elettroni quasi senza resistenza anche a temperatura ambiente, una proprietà nota come trasporto balistico. L'ottica unica del grafene, le proprietà meccaniche ed elettriche hanno portato alla forma di carbonio dello spessore di un atomo che è stata annunciata come il materiale di prossima generazione per un più veloce, più piccoli, elettronica più economica e meno affamata di energia.

"Nella microelettronica al silicio, il grafene è un elettrodo di contatto potenziale e un materiale di interconnessione che collega i dispositivi a semiconduttore per formare i circuiti elettrici desiderati, " ha detto Kim. "Questo rende indesiderabile la temperatura di lavorazione elevata, come danni indotti dalla temperatura, tensioni, possono verificarsi picchi di metallo e diffusione involontaria di droganti."

Così, sebbene il metodo convenzionale di fabbricazione del grafene della deposizione chimica da vapore sia ampiamente utilizzato per la sintesi di grandi aree di grafene su film di rame e nichel, il metodo non è adatto per la microelettronica al silicio, poiché la deposizione chimica da vapore richiederebbe un'elevata temperatura di crescita superiore a 1, 000 gradi Celsius e un successivo processo di trasferimento del grafene dalla pellicola metallica al silicio.

"Il grafene trasferito sul substrato bersaglio spesso contiene crepe, rughe e contaminanti, " disse Kim. "Così, siamo motivati ​​a sviluppare un metodo transfer-free per sintetizzare direttamente alta qualità, grafene multistrato nella microelettronica del silicio".

Il metodo di Kim si basa sull'impianto di ioni, una tecnica compatibile con la microelettronica normalmente utilizzata per introdurre impurità nei semiconduttori. Nel processo, ioni carbonio sono stati accelerati sotto un campo elettrico e bombardati su una superficie stratificata di nichel, biossido di silicio e silicio alla temperatura di 500 gradi Celsius. Lo strato di nichel, con elevata solubilità del carbonio, viene utilizzato come catalizzatore per la sintesi del grafene. Il processo è quindi seguito da ricottura di attivazione ad alta temperatura (circa 600-900 gradi Celsius) per formare un reticolo a nido d'ape di atomi di carbonio, una tipica struttura microscopica del grafene.

Kim ha spiegato che la temperatura di ricottura di attivazione potrebbe essere abbassata eseguendo l'impianto di ioni a una temperatura elevata. Kim e i suoi colleghi hanno quindi studiato sistematicamente gli effetti delle condizioni di ricottura sulla sintesi di prodotti di alta qualità, grafene multistrato variando la pressione ambiente, gas ambiente, temperatura e tempo durante il trattamento.

Secondo Kim, la tecnica di impianto ionico offre anche un controllo più preciso sulla struttura finale del prodotto rispetto ad altri metodi di fabbricazione, poiché lo spessore dello strato di grafene può essere determinato con precisione controllando la dose di impianto di ioni carbonio.

"Il nostro metodo di sintesi è controllabile e scalabile, permettendoci di ottenere grafene grande quanto la dimensione del wafer di silicio [oltre 300 millimetri di diametro], " ha detto Kim.

Il prossimo passo dei ricercatori è abbassare ulteriormente la temperatura nel processo di sintesi e controllare lo spessore del grafene per la produzione manifatturiera.