Grafene, un materiale dello spessore di un atomo con proprietà straordinarie, è un candidato promettente per la prossima generazione di drammaticamente più veloce, elettronica più efficiente dal punto di vista energetico. Però, gli scienziati hanno lottato per fabbricare il materiale in strisce ultrasottili, chiamati nanonastri, che potrebbe consentire l'uso del grafene nell'elettronica dei semiconduttori ad alte prestazioni.

Ora, Gli ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison hanno scoperto un modo per far crescere nanonastri di grafene con proprietà semiconduttrici desiderabili direttamente su un wafer semiconduttore al germanio convenzionale. Questa svolta potrebbe consentire ai produttori di utilizzare facilmente i nanonastri di grafene nei circuiti integrati ibridi, che promettono di aumentare significativamente le prestazioni dei dispositivi elettronici di prossima generazione. Questa tecnologia potrebbe anche avere usi specifici in applicazioni industriali e militari, come sensori che rilevano specie chimiche e biologiche specifiche e dispositivi fotonici che manipolano la luce.

In un articolo pubblicato il 10 agosto, 2015 sulla rivista Comunicazioni sulla natura , Michael Arnold, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la UW-Madison, Il dottorando Robert Jacobberger, e i loro collaboratori descrivono il loro nuovo approccio alla produzione di nanonastri di grafene. È importante sottolineare che la loro tecnica può essere facilmente scalata per la produzione di massa ed è compatibile con l'infrastruttura prevalente utilizzata nella lavorazione dei semiconduttori.

"I nanonastri di grafene che possono essere coltivati ​​direttamente sulla superficie di un semiconduttore come il germanio sono più compatibili con l'elaborazione planare utilizzata nell'industria dei semiconduttori, e quindi ci sarebbe meno barriera all'integrazione di questi materiali davvero eccellenti nell'elettronica in futuro, " dice Arnoldo.

Grafene, un foglio di atomi di carbonio che è solo un atomo di spessore, conduce l'elettricità e dissipa il calore in modo molto più efficiente del silicio, il materiale più comunemente presente nei chip dei computer odierni. Ma per sfruttare le straordinarie proprietà elettroniche del grafene nelle applicazioni dei semiconduttori in cui la corrente deve essere attivata e disattivata, i nanonastri di grafene devono essere larghi meno di 10 nanometri, che è fenomenale stretto. Inoltre, i nanonastri devono essere lisci, bordi "a poltrona" ben definiti in cui i legami carbonio-carbonio sono paralleli alla lunghezza del nastro.

I ricercatori hanno in genere fabbricato nanonastri utilizzando tecniche litografiche per tagliare fogli di grafene più grandi in nastri. Però, questo approccio di fabbricazione "top-down" manca di precisione e produce nanonastri con bordi molto ruvidi.

Un'altra strategia per realizzare nanonastri consiste nell'utilizzare un approccio "dal basso verso l'alto" come la sintesi organica assistita dalla superficie, dove i precursori molecolari reagiscono su una superficie per polimerizzare nanonastri. Arnold afferma che la sintesi assistita dalla superficie può produrre bellissimi nanonastri con precisi, bordi lisci, ma questo metodo funziona solo su substrati metallici e i nanonastri risultanti sono troppo corti per l'uso nell'elettronica.

Per superare questi ostacoli, i ricercatori di UW-Madison hanno aperto la strada a una tecnica dal basso verso l'alto in cui coltivano nanonastri ultrasottili con lisci, bordi diritti direttamente sui wafer di germanio utilizzando un processo chiamato deposizione chimica da vapore. In questo processo, i ricercatori iniziano con il metano, che si adsorbe sulla superficie del germanio e si decompone per formare vari idrocarburi. Questi idrocarburi reagiscono tra loro in superficie, dove formano il grafene.

Il team di Arnold ha fatto la sua svolta esplorando il rallentamento drammatico del tasso di crescita dei cristalli di grafene diminuendo la quantità di metano nella camera di deposizione chimica da vapore. Hanno scoperto che a un tasso di crescita molto lento, i cristalli di grafene crescono naturalmente in lunghi nanonastri su una specifica sfaccettatura cristallina del germanio. Semplicemente controllando il tasso di crescita e il tempo di crescita, i ricercatori possono facilmente sintonizzare la larghezza del nanonastro a meno di 10 nanometri.

"Quello che abbiamo scoperto è che quando il grafene cresce sul germanio, forma naturalmente nanonastri con questi molto lisci, bordi della poltrona, " dice Arnold. "Le larghezze possono essere molto, molto stretto e le lunghezze dei nastri possono essere molto lunghe, quindi tutte le caratteristiche desiderabili che vogliamo nei nanonastri di grafene si verificano automaticamente con questa tecnica".

I nanonastri prodotti con questa tecnica iniziano a nucleantere, o in crescita, in punti apparentemente casuali sul germanio e sono orientati in due direzioni diverse sulla superficie. Arnold afferma che il lavoro futuro del team includerà il controllo del punto in cui i nastri iniziano a crescere e l'allineamento tutti nella stessa direzione.