I ricercatori hanno sviluppato un metodo per "collegare" i nanonastri di grafene (GNR), una classe di materiali unidimensionali di interesse per il ridimensionamento dei dispositivi microelettronici. Utilizzando un processo basato sulla microscopia a tunneling a scansione (STM) a scrittura diretta, i contatti metallici su scala nanometrica sono stati fabbricati su singoli GNR e potevano controllare il carattere elettronico dei GNR.
I ricercatori affermano che questa è la prima dimostrazione di come realizzare con certezza contatti metallici su GNR specifici e che tali contatti inducono la funzionalità del dispositivo necessaria per il funzionamento del transistor.
I risultati di questa ricerca, condotta dal professore di ingegneria elettrica e informatica (ECE) Joseph Lyding, insieme allo studente laureato dell'ECE Pin-Chiao Huang e allo studente laureato in scienze dei materiali e ingegneria Hongye Sun, sono stati recentemente pubblicati sulla rivista ACS Nano .
"Il grafene esiste da un po' ed è stato pensato come qualcosa che potrebbe potenzialmente essere un materiale elettronico ad alta velocità, forse anche un sostituto del silicio", spiega Lyding. "Ma il problema con il grafene stesso è che non è un semiconduttore."
Il grafene è uno strato di atomi di carbonio dello spessore di un atomo e, sebbene sia il materiale più sottile conosciuto, è anche incredibilmente resistente. Le proprietà dei semiconduttori possono essere indotte nel grafene rendendolo molto piccolo o fabbricandolo in forme specifiche, come nastri. Per questo progetto, il coautore Alexander Sinitskii e il suo gruppo presso l'Università del Nebraska hanno sintetizzato GNR atomicamente precisi.
Il processo di realizzazione di un transistor dai GNR prevede il loro posizionamento su un substrato di silicio, il collegamento dei fili e il passaggio della corrente attraverso i fili per misurare le proprietà del transistor. Il team ha compiuto il passo fondamentale prendendo i GNR, che hanno un diametro più stretto di una molecola di DNA, e collegandoli. Hanno sviluppato una tecnica in cui i fili sono larghi solo pochi nanometri.
Altri ricercatori hanno lavorato su questo problema mettendo molti GNR su una superficie di silicio e posizionando elettrodi giganti e sperando per il meglio. Questo metodo, tuttavia, introduce molte incertezze. Lyding e i suoi studenti hanno utilizzato un metodo più preciso per collegare i GNR. Hanno utilizzato un microscopio a effetto tunnel (uno strumento di imaging a risoluzione atomica) per scansionare la superficie alla ricerca di un GNR da utilizzare.
In STM, una punta affilata viene avvicinata a una superficie, nell'ordine di un nanometro, e scansionata attraverso la superficie. C'è un flusso di corrente tra la punta e la superficie, e quando la punta incontra gli atomi sulla superficie, come se si guida su un dosso, quel flusso di corrente viene modulato. Ciò consente il rilevamento e l'imaging dei GNR.
Una volta trovato un GNR, usano il fascio di elettroni nell'STM per innescare la deposizione di metallo dalle molecole precursori del diboruro di afnio per creare i fili. Il coautore Gregory Girolami e il suo gruppo del Dipartimento di Chimica dell'UIUC hanno sintetizzato il precursore di questo processo, chiamato scrittura diretta STM. "Il nostro metodo di cablaggio è molto preciso. Quando vediamo un GNR, possiamo semplicemente definire uno schema che vogliamo e poi lo collegheremo. Non si tratta semplicemente di lanciare alla cieca elettrodi sulla superficie", afferma Huang.
Un altro vantaggio di questo metodo è che viene eseguito in vuoto ultra-alto (UHV). Ciò garantisce che il materiale rimanga pulito dall'acqua atmosferica e da altri "spazzatura" che riducono le prestazioni del dispositivo.
I ricercatori hanno anche studiato il carattere elettronico dei GNR e hanno scoperto che veniva modificato inserendo i contatti metallici. Il "doping" dei semiconduttori è l'introduzione intenzionale di impurità per modificarne le proprietà elettroniche.
Sun spiega:"Un modo per drogare i GNR è utilizzare diverse reazioni chimiche per modificare le proprietà dei GNR. Ma questo processo è difficile. Il modo in cui lo facciamo è depositando metallo. E possiamo effettivamente scegliere il tipo di metallo che vogliamo mettere i GNR che potrebbero anche ottimizzare le caratteristiche GNR. Questo è un modo per drogare essenzialmente i nostri GNR, senza effettivamente usare droganti."
Lyding afferma:"Il passo successivo, su cui stiamo lavorando ora, è creare un vero transistor e misurarne effettivamente le caratteristiche. Ma sappiamo che possiamo eseguire questo processo originale, utilizzando il vuoto ultra-alto, per realizzare gli elettrodi che sono assolutamente necessari per il funzionamento del dispositivo."
Ulteriori informazioni: Pin-Chiao Huang et al, contatti inferiori a 5 nm e formazione indotta di giunzioni p-n in singoli nanonastri di grafene atomicamente precisi, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c02794
Informazioni sul giornale: ACS Nano
Fornito dall'Università dell'Illinois Grainger College of Engineering
