Dal punto di vista dell'elettrone, il grafene deve essere un brivido da far rizzare i capelli. Per anni, gli scienziati hanno osservato che gli elettroni possono attraversare il grafene a velocità prossime a quella della luce, molto più velocemente di quanto possano viaggiare attraverso il silicio e altri materiali semiconduttori.

Grafene, perciò, è stato pubblicizzato come un promettente successore del silicio, con il potenziale per consentire più velocemente, dispositivi elettronici e fotonici più efficienti.

Ma la produzione di grafene incontaminato, un singolo, perfettamente piatto, foglio ultrasottile di atomi di carbonio, allineati con precisione e collegati insieme come un filo di ferro, è estremamente difficile. I processi di fabbricazione convenzionali spesso generano rughe, che può far deragliare il viaggio di un treno proiettile di un elettrone, limitando significativamente le prestazioni elettriche del grafene.

Ora gli ingegneri del MIT hanno trovato un modo per produrre grafene con meno rughe, e per appianare le rughe che appaiono. Dopo aver fabbricato e poi appiattito il grafene, i ricercatori hanno testato la sua conduttività elettrica. Hanno scoperto che ogni wafer mostrava prestazioni uniformi, il che significa che gli elettroni scorrevano liberamente attraverso ogni wafer, a velocità simili, anche attraverso regioni precedentemente rugose.

In un articolo pubblicato oggi su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , i ricercatori riferiscono che le loro tecniche producono con successo su scala di wafer, grafene "a dominio singolo":singoli strati di grafene che sono uniformi sia nella disposizione atomica che nelle prestazioni elettroniche.

"Affinché il grafene possa fungere da materiale semiconduttore principale per l'industria, deve essere a dominio singolo, in modo che se crei milioni di dispositivi su di esso, le prestazioni dei dispositivi sono le stesse in qualsiasi luogo, "dice Jeehwan Kim, la classe del 1947 Career Development Assistant Professor nei dipartimenti di Ingegneria Meccanica e Scienza e Ingegneria dei Materiali al MIT. "Ora possiamo davvero produrre grafene a dominio singolo su scala wafer".

I coautori di Kim includono Sanghoon Bae, Samuele Cruz, e Yunjo Kim del MIT, insieme ai ricercatori di IBM, l'Università della California a Los Angeles, e la Kyungpook National University in Corea del Sud.

Un patchwork di rughe

Il modo più comune per produrre grafene prevede la deposizione chimica da vapore, o CVD, un processo in cui gli atomi di carbonio vengono depositati su un substrato cristallino come un foglio di rame. Una volta che la lamina di rame è uniformemente rivestita con un singolo strato di atomi di carbonio, gli scienziati immergono l'intera cosa nell'acido per asportare il rame. Quello che rimane è un singolo foglio di grafene, che i ricercatori poi estraggono dall'acido.

Il processo CVD può produrre relativamente grandi, rughe macroscopiche nel grafene, a causa della rugosità del rame sottostante stesso e del processo di estrazione del grafene dall'acido. L'allineamento degli atomi di carbonio non è uniforme attraverso il grafene, creando uno stato "policristallino" in cui il grafene assomiglia a un irregolare, terreno patchwork, impedendo agli elettroni di fluire a velocità uniformi.

Nel 2013, mentre lavoravo in IBM, Kim e i suoi colleghi hanno sviluppato un metodo per fabbricare wafer di grafene monocristallino, in cui l'orientamento degli atomi di carbonio è esattamente lo stesso in tutto un wafer.

Piuttosto che usare CVD, il suo team ha prodotto grafene monocristallino da un wafer di carburo di silicio con una superficie atomicamente liscia, anche se con piccoli, rughe a gradini dell'ordine di diversi nanometri. Hanno quindi usato un sottile foglio di nichel per staccare il grafene più in alto dal wafer di carburo di silicio, in un processo chiamato trasferimento di grafene risolto in strati.

Spese di stiratura

Nel loro nuovo documento, Kim e i suoi colleghi hanno scoperto che il trasferimento di grafene risolto in strati appiana i passaggi e le piccole rughe nel grafene fabbricato con carburo di silicio. Prima di trasferire lo strato di grafene su un wafer di silicio, il team ha ossidato il silicio, creando uno strato di biossido di silicio che presenta naturalmente cariche elettrostatiche. Quando i ricercatori hanno poi depositato il grafene, il biossido di silicio ha efficacemente trascinato gli atomi di carbonio del grafene sul wafer, appiattendone i gradini e le rughe.

Kim dice che questo metodo di stiratura non funzionerebbe su grafene fabbricato con CVD, poiché le rughe generate attraverso CVD sono molto più grandi, dell'ordine di alcuni micron.

"Il processo CVD crea rughe troppo alte per essere stirate, " Note Kim. "Per il grafene al carburo di silicio, le rughe sono alte solo pochi nanometri, abbastanza corto da essere appiattito."

Per verificare se l'appiattito, i wafer di grafene monocristallino erano a dominio singolo, i ricercatori hanno fabbricato minuscoli transistor su più siti su ciascun wafer, anche in regioni precedentemente rugose.

"Abbiamo misurato la mobilità degli elettroni in tutti i wafer, e le loro prestazioni erano comparabili, " dice Kim. "Inoltre, questa mobilità nel grafene stirato è due volte più veloce. Quindi ora abbiamo davvero il grafene a dominio singolo, e la sua qualità elettrica è molto più alta [rispetto al carburo di silicio legato al grafene]."

Kim dice che mentre ci sono ancora sfide per adattare il grafene per l'uso in elettronica, i risultati del gruppo forniscono ai ricercatori un modello su come produrre in modo affidabile prodotti incontaminati, singolo dominio, grafene senza rughe su scala wafer.

"Se vuoi realizzare un qualsiasi dispositivo elettronico usando il grafene, devi lavorare con il grafene a dominio singolo, " Dice Kim. "C'è ancora molta strada da fare per realizzare un transistor operativo con il grafene. Ma ora possiamo mostrare le linee guida della community su come creare un monocristallino, grafene a dominio singolo."