Under Halvledardagen på KTH, hösten 2010, gav professor Max Lemme en föreläsning om grafen (uttalas ”grafén”). Materialet har en rad unika egenskaper som kan utnyttjas inom halvledartekniken.

Årets nobelpris i fysik gick som bekant till forskarna Andre Geim och Konstantin Novoselov för deras banbrytande experiment beträffande det två-dimensionella materialet grafen.
Det första experiment där man fick fram grafen genomfördes på ett förbluffande enkelt sätt: Med en bit tape mot en grafitkristall kunde man lyfta av ett atomlager tjockt skikt, dvs ett 2-dimensionellt skikt och kolatomer, bundna till varandra i en hexagonstruktur, liknande bikakemönster.

Grafit som utgångsmaterial
Grafit är moder till all slags grafen, vilket kan ta sig former som lager på lager, kolnanorör, kolklot eller som ett 2D-skikt där kolatomerna är bundna till varandra i ett plan. Bindningskraften mellan kolatomerna i detta plan är ungefär 4,3 eV, vilket är en mycket stark bindning. I grafit, som består av sådana plan, stackade på varandra, är bindningen mellan planen bara 0,07 eV. Det förklarar att man med tape kan lossa ett plan från ett annat.
– Den metod som användes av Nosolev 2004 gav flak av grafen i storleksordningen 5 till 100 µm, säger professor Max Lemme.
Han är gästprofessor vid KTH inom dekan Mikael Östlings forskargrupp, med inriktning på att skapa en användbar plattform för grafen på kisel. Max Lemme har tidigare verkat som gästprofessor på Howarduniversitetet.
Han berättar att man vid KTH gör försök med syfte att åstadkomma grafen i större format och att utveckla en process som industrin kan bygga vidare på.
Vid metoden utgår man från en kiselskiva på vilken man har odlat kiselkarbid (SiC). Vid upphettning försvinner kislet och kvar finns ett lager av grafen.
En metod som kan lämpa sig för att åstadkomma större ytor av grafen går ut på att man med kemisk deposition i ångfas (chemical vapor deposition) lägger grafen på en cylinder av koppar eller nickel. Cylindern används sedan i något som ser ut som en tryckpress. En plastfilm (PMMA) ligger an mot den roterande cylindern och grafen överförs till plastfilmen. Denna kan sedan användas för att exempelvis bilda ledningsbanor på en kiselskiva. Grafen överförs till en kiselskiva, eller annan typ av substrat, med hjälp av uppvärmning eller med hjälp av ett lösningsmedel. Metoden är elegant eftersom den gör det möjligt att lyfta över grafen till exempelvis glas för att skapa ledarbanor i solceller eller på displayer.

Superhög mobilitet
Grafen är en semimetall med noll bandgap. På grund av masslösa elementarpartiklar blir mobiliteten oerhört hög: upp till 25000 cm²/Vs i rumstemperatur, men siffran kan höjas till kring 200 000 genom att dra ut grafen i vakuum. Detta skall jämföras med 1350 för kisel och 8500 för GaAs.
Strömtätheten är synnerligen stor: 10⁸ A/cm³.
Med dessa egenskaper har grafen en potential i att användas för MOSFET med mycket hög switchhastighet, förbindningslager i halvledarkretsar med låga effektförluster, optoelektronik och i ballistiska kretsar.
Max Lemme visade i sitt föredrag att det kanske kan bli möjligt att använda grafen i standardprocesser, kanske för att skapa MOSFET i grafen.

Dubbelriktad
En transistor i grafen kommer att få ett ambivalent uppförande. Det innebär att transistorn leder fullt ut vid en viss pålagd spänning på gaten, vare sig styrspänningen är negativ eller positiv. Vid 0 V styrspänning spärras transistorn. En så byggd grafen-transistor kan därför inte ersätta en kiseltransistor, men skulle kunna fungera som en frekvensdubblare för mycket höga frekvenser. Idag skulle det handla om 300 GHz!

Saknar bandgap
Orsaken till detta beteende är att grafen inte har något bandgap. Max Lemme beskrev hur man kan åstadkomma ett bandgap genom att gå från tvådimensionell grafen till endimensionell.
I praktiken innebär det att man i stället för att använda en stor yta (2D) använder en smal sträng av grafen, mellan source och drain. Med andra ord formas bandgapet med hjälp av geometri. Energinivån blir då ungefär omvänt proportionell mot bredden på grafiksträngen. För att skapa en FET (med lämpligt bandgap) bör bredden inte överstiga 15 nm. Helst skall den ligga mellan 2 och 5 nm.

Förbindningar och opto
Den höga ledningsförmågan hos grafen gör att det passar väl för förbindningar i halvledarkretsar. När måtten kommer ned till i storleksordningen 10 nm utkonkurrerar grafen koppar i fråga om resistivitet och maximal strömtäthet.
Grafen kan ge fotodetektorer exceptionella egenskaper, sådana som E-k-linjäritet upp till 1 eV, ett spektrum från synligt ljus till nästan THz samt höga datahastigheter.
E-K, som är ett dispersionsförhållande, beskriver förhållandet mellan energi och laddningsbärarnas rörlighet (elektroner och hål). Normalt i en halvledare är förhållandet paraboliskt. Den exakta formen beror på den effektiva massan av elektroner (ledningsbandet) och hål (valensbandet).
Att förhållandet E–k är linjärt för grafen gör att det har en intressant fysik: Partiklarna har (nästan) ingen massa. På grund av den masslösa naturen, är begreppet "rörlighet" i perfekt grafen något missvisande. I praktiken leder störämnen i klassiska halvledare till nedsatt rörlighet.
Grafen lämpar sig väl att användas för förbindningselektroder i solceller, tack vare den höga ledningsförmågan och att materialet är så tunt att det släpper igenom ljus. Med andra ord är det transparant. Samma egenskaper gör grafen till ett passande material för touch-paneler, där grafen ersätter tennoxid.

På andra material
Det finns en potential till att lägga grafen även på andra material. Grafen skulle kunna användas till att trycka tunnfilmtransistorer på papper, på tyg och på andra böjliga material.
Grafen skulle också kunna användas i bränsleceller och i superkondensatorer. I sådana är elektroderna oregelbundet utformade för att radikalt öka elektrodernas ytor. Genom att använda grafen kan ytterligare ett stort steg tas: Ytstorleken skulle kunna bli så hög som 1100 m²/g. Teoretiskt sett skulle ytan kunna uppgå till 2600 m²/g.
Det är inte bara inom elektroniken som grafen är intressant att använda. Materialet är mycket starkt. Professor Hone, Columbia universitet har sagt:
– Grafen är 200 gånger starkare än strukturellt stål. Det skulle behövas en elefants vikt på en penna för att denna skulle tränga igenom grafen med en tjocklek motsvarande gladpack.

Många användningsområden
Max Lemme avslutade sitt föredrag med att ge förslag på områden där grafen skulle kunna användas: Sensorer (där ytorna ger en funktion, kompatibilitet med mänsklig vävnad), resistiv switchning (i minnen), ballistiska komponenter, NEMS, spinntronik (spinn-rör, spinn-MOSFET, spinn-FET), termoelektricitet, ljusöverföring (plasmonics) samt olika lösningar som är knutna till speciella applikationer, som exempelvis bläckstråleskrivare.

Filed under: Teknikartiklar