I cristalli di silicio sono i semiconduttori più comunemente usati per realizzare transistor, che sono componenti elettronici critici utilizzati per eseguire operazioni logiche nell'informatica. Però, man mano che vengono creati processori più veloci e potenti, il silicio ha raggiunto un limite di prestazioni:più velocemente conduce l'elettricità, più fa caldo, portando al surriscaldamento.

Grafene, costituito da un foglio di carbonio dello spessore di un atomo, rimane molto più fresco e può condurre molto più velocemente, ma deve essere in pezzi più piccoli, chiamati nanonastri, per agire come un semiconduttore. Nonostante molti progressi nella fabbricazione e caratterizzazione dei nanonastri, trasferirli in modo pulito sulle superfici utilizzate per la produzione di chip è stata una sfida significativa.

Un recente studio condotto dai ricercatori del Beckman Institute for Advanced Science and Technology dell'Università dell'Illinois e del Dipartimento di Chimica dell'Università del Nebraska-Lincoln ha dimostrato il primo importante passo verso l'integrazione di nanonastri di grafene (APGNR) atomicamente precisi su substrati non metallici . La carta, "Nanoribbons di grafene chevron sintetizzati in soluzione esfoliati su H:Si(100), " è stato pubblicato in Nano lettere .

I nanonastri di grafene misurano solo diversi nanometri di diametro, oltre i limiti del modello top-down del chip convenzionale utilizzato nella produzione di chip. Di conseguenza, quando scolpito da pezzi di grafene più grandi mediante vari approcci di nanofabbricazione, i nanonastri di grafene non sono né uniformi né sufficientemente stretti da esibire le proprietà del semiconduttore desiderate.

"Quando vai dall'alto verso il basso, è molto difficile ottenere il controllo sulla larghezza. Si scopre che se la larghezza modula solo di un atomo o due, le proprietà cambiano in modo significativo, " disse Adriano Radocea, uno studente di dottorato in Nanoelectronics and Nanomaterials Group di Beckman.

Di conseguenza, i nanonastri devono essere fatti "dal basso verso l'alto, " da molecole più piccole per creare nanonastri atomicamente precisi con proprietà elettroniche altamente uniformi.

"È come un blocco molecolare:un po' come mettere insieme i Lego per costruire qualcosa, " disse Radocea. "Si bloccano in posizione, e ti ritroverai con l'esatto controllo sulla larghezza del nastro."

L'approccio "bottom-up" è stato mostrato per la prima volta per i nanonastri di grafene da Cai et al. in un documento su Nature del 2010 che dimostra la crescita di nanonastri di grafene atomicamente precisi su substrati metallici. Nel 2014, il gruppo di ricerca di Alexander Sinitskii presso l'Università del Nebraska-Lincoln ha sviluppato un approccio alternativo per realizzare nanonastri di grafene in soluzione atomicamente precisi.

"La sintesi precedentemente dimostrata su substrati metallici produce nanonastri di grafene di altissima qualità, ma il loro numero è piuttosto piccolo, poiché la crescita si limitava alla superficie del metallo prezioso, " disse Sinitskii, professore associato di chimica presso l'Università del Nebraska-Lincoln e autore dello studio. "È difficile ridimensionare questa sintesi. Al contrario, quando i nanonastri sono sintetizzati nell'ambiente di soluzione tridimensionale senza restrizioni, possono essere prodotti in grandi quantità."

La difficoltà nel trasferire in modo pulito i nanonastri deriva dall'elevata sensibilità ai contaminanti ambientali. Sia i nanonastri sintetizzati in soluzione che quelli cresciuti in superficie sono esposti a sostanze chimiche durante il processo di trasferimento che possono influenzare le prestazioni dei dispositivi a nanonastri di grafene. Per vincere questa sfida, il team interdisciplinare ha utilizzato un trasferimento a secco in un ambiente a vuoto ultraelevato.

Un applicatore in fibra di vetro rivestito con polvere di nanonastro di grafene è stato riscaldato per rimuovere contaminanti e residui di solvente e quindi premuto su una superficie di silicio passivato con idrogeno appena preparata. I nanonastri sono stati studiati in grande dettaglio con il microscopio a scansione tunnel a vuoto ultra alto sviluppato da Joseph Lyding, professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Illinois e autore dello studio. I ricercatori hanno ottenuto immagini su scala atomica e misurazioni elettroniche dei nanonastri di grafene che erano fondamentali per confermare le loro proprietà elettroniche e comprendere l'influenza del substrato.

Competenza computazionale disponibile presso Beckman, Radocea ha spiegato, è stato determinante per la comprensione dei risultati sperimentali. "Stavo ancora raccogliendo più dati cercando di capire cosa stesse succedendo. Una volta arrivati ​​i risultati della modellazione e abbiamo iniziato a guardare i dati in modo diverso, tutto aveva un senso".

Membri del gruppo di nanosistemi multiscala computazionale di Beckman, Tao Sole, uno studente di dottorato, e Narayana Aluru, professore di scienze e ingegneria meccanica, ha fornito competenze nella modellazione computazionale tramite la teoria del funzionale della densità per studiare le proprietà dei nanonastri.

"I calcoli della teoria del funzionale della densità hanno fornito una comprensione più profonda delle proprietà elettroniche del sistema integrato e delle interazioni tra i nanonastri di grafene e il substrato di silicio, " ha detto Sun. "È stato emozionante che i risultati computazionali potessero aiutare a spiegare e confermare i risultati sperimentali e fornissero una storia coerente".

"I nanonastri di grafene atomicamente precisi (APGNR) sono candidati seri per l'era post-silicio quando il ridimensionamento dei transistor al silicio convenzionale fallisce, " ha detto Lyding. "Questo dimostra il primo importante passo verso l'integrazione di APGNR con substrati di silicio tecnologicamente rilevanti".

"Trovo il progetto molto eccitante perché stai costruendo cose con il controllo del livello atomico, quindi provi a mettere ogni atomo esattamente dove vuoi che vada, " ha detto Radocea. "Non ci sono molti materiali là fuori in cui si può dire di avere questa capacità. I nanoribbons sono entusiasmanti perché c'è una reale necessità e una reale applicazione."