In uno sviluppo che potrebbe rivoluzionare la circuiteria elettronica, un gruppo di ricerca dell'Università del Wisconsin a Madison (UW) e dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha confermato un nuovo modo per controllare i percorsi di crescita dei nanonastri di grafene sulla superficie di un cristallo di germaino.

Il germanio è un semiconduttore e questo metodo fornisce un modo semplice per realizzare circuiti semiconduttori su nanoscala dal grafene, una forma di carbonio spessa solo un atomo.

Il metodo è stato scoperto dagli scienziati UW e confermato nei test ad Argonne.

"Alcuni ricercatori hanno voluto realizzare transistor con nanotubi di carbonio, ma il problema è che crescono in tutte le direzioni, " ha dichiarato Brian Kiraly di Argonne. "L'innovazione qui è che puoi farli crescere lungo percorsi di circuito che funzionano per la tua tecnologia".

I ricercatori UW hanno utilizzato la deposizione chimica da vapore per far crescere nanonastri di grafene sui cristalli di germanio. Questa tecnica scorre una miscela di metano, gas di idrogeno e argon in un forno tubolare. Ad alte temperature, il metano si decompone in atomi di carbonio che si depositano sulla superficie del germanio per formare un foglio di grafene uniforme. Regolando le impostazioni della camera, il team UW è stato in grado di esercitare un controllo molto preciso sul materiale.

"Quello che abbiamo scoperto è che quando il grafene cresce sul germanio, forma naturalmente nanonastri con questi molto lisci, bordi della poltrona, " ha detto Michael Arnold, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la UW-Madison. "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".

Grafene, uno spessore di un atomo, foglio bidimensionale di atomi di carbonio, è noto per spostare gli elettroni alla velocità della luce sulla sua superficie senza interferenze. Questa elevata mobilità rende il materiale un candidato ideale per una rapida, elettronica più efficiente dal punto di vista energetico.

Però, l'industria dei semiconduttori vuole fare in modo che i circuiti avviino e arrestino gli elettroni a piacimento tramite band-gap, come fanno nei chip dei computer. Come un semimetallo, il grafene naturalmente non ha band-gap, rendendolo una sfida per l'adozione diffusa dell'industria. Fino ad ora.

A conferma di questi risultati, I ricercatori UW sono andati dagli scienziati dello staff di Argonne Brian Kiraly e Nathan Guisinger presso il Center for Nanoscale Materials, un DOE Office of Science User Facility situato ad Argonne.

"Abbiamo alcune capacità davvero uniche qui al Center for Nanoscale Materials, " ha detto Guisinger. "Non solo le nostre strutture sono progettate per lavorare con tutti i diversi tipi di materiali, dai metalli agli ossidi, possiamo anche caratterizzare, crescere e sintetizzare materiali."

Utilizzando la microscopia a effetto tunnel, una tecnica che utilizza gli elettroni (invece della luce o degli occhi) per vedere le caratteristiche di un campione, i ricercatori hanno confermato la presenza di nanonastri di grafene che crescono sul germanio. I dati raccolti dalle firme degli elettroni hanno permesso ai ricercatori di creare immagini delle dimensioni e dell'orientamento del materiale. Inoltre, sono stati in grado di determinarne la struttura a bande e l'estensione della dispersione degli elettroni nel materiale.

"Stiamo esaminando le proprietà fisiche fondamentali per verificare che lo sia, infatti, grafene e mostra alcune proprietà elettroniche caratteristiche, " ha detto Kiraly. "La cosa ancora più interessante è che questi nanonastri possono essere fatti crescere in determinate direzioni su un lato del cristallo di germanio, ma non gli altri due lati."

Per l'uso in dispositivi elettronici, l'industria dei semiconduttori è principalmente interessata alle tre facce di un cristallo di germanio. Rappresentando queste facce in termini di coordinate (X, si, Z), dove i singoli atomi si connettono tra loro in una struttura a griglia simile a un diamante, ogni faccia di un cristallo (1, 1, 1) avrà assi diversi da uno (1, 1, 0) all'altro (1, 0, 0).

Ricerche precedenti mostrano che i fogli di grafene possono crescere sulle facce dei cristalli di germanio (1, 1, 1) e (1, 1, 0). Però, questa è la prima volta che uno studio ha registrato la crescita di nanonastri di grafene sulla (1, 0, 0) faccia.

Mentre le loro indagini continuano, i ricercatori possono ora concentrare i loro sforzi sul motivo esatto per cui i nanonastri di grafene autodiretti crescono sulla (1, 0, 0) affrontare e determinare se esiste un'interazione univoca tra il germanio e il grafene che può svolgere un ruolo.