En ny metod att växa tunna remsor av grafen på germaniumwafers kan vara en framkomlig väg för att utveckla framtidens elektronik. Forskare vid University of Wisconsin-Madison har funnit en metod där tunna remsor i grafen med mjuka kanter har tagits fram genom kemisk ångdeponering.

Bild: Arnold Research Group och Guisinger Research Group

Grafen är en lovande kandidat för en nästa generations dramatiskt snabbare och mer energieffektiv elektronik. Och forskare har kämpat för att tillverka materialet i ultrasmala remsor, här kallade nanoremsor (nanoribbons), som kan göra det möjligt att använda grafen i högpresterande halvledarelektronik.

Nu har forskare vid University of Wisconsin-Madison upptäckt ett sätt att växa nanoremsor i grafen med önskade halvledande egenskaper direkt på en konventionell halvledarwafer i germanium. Detta kan komma att tillåta tillverkare att enkelt använda nanoremsor i grafen i integrerade hybridkretsar som kraftigt kan öka prestandan hos nästa generations elektronik. Tekniken kan enligt forskarna också finna särskilda användningsområden i industriella och militära tillämpningar, såsom sensorer som detekterar specifika kemiska och biologiska ämnen och fotonikkomponenter som manipulerar ljus.

I en artikel publicerad den 10 augusti i tidskriften Nature Communications har Michael Arnold, docent i materialvetenskap och teknik vid UW-Madison, Ph.D.-student Robert Jacobberger och deras medarbetare beskrivit sin nya strategi för att producera nanoremsor av grafen. Viktigt är enligt forskarna också att tekniken enkelt kan skalas för massproduktion och är kompatibel med den infrastruktur som idag används vid halvledartillverkning.

– Nanoremsor i grafen, som kan odlas direkt på ytan av en halvledare som germanium, är mer förenliga med den planarbearbetning som används i halvledarindustrin och i och med det skulle det vara ett mindre hinder att integrera dessa riktigt bra material i elektronik i framtiden, säger Michael Arnold.

Grafen leder elektricitet och avleder värme mycket mer effektivt än kisel. Men för att utnyttja grafenets anmärkningsvärda elektroniska egenskaper i halvledartillämpningar måste enligt forskarna nanoremsorna vara mindre än 10 nanometer breda. Dessutom måste nanoremsorna ha släta, väldefinierade ”fåtölj-kanter” i vilka kol-kolbindningarna är parallella längs med remsan.

Forskare har tidigare vanligtvis tillverkat nanoremsor med litografiska metoder och klippa större ark av grafen i remsor. Men denna "top-down"-tillverkningsstrategi saknar precision och producerar remsor med mycket ojämna kanter.

En annan strategi för att göra nanoremsor är att använda en "bottom-up" -metod såsom surface-assisted organic synthesis där molekylära prekursorer reagerar på en yta för att polymerisera nanoremsor. Michael Arnold säger att surface-assisted organic synthesis kan producera vackra nanoremsor med exakta, jämna kanter men att denna metod bara fungerar på metallsubstrat samt att de resulterande nanoremsorna är alltså alldeles för korta för att användas inom elektronik.

För att övervinna dessa hinder har UW-Madison-forskarna banat väg för en bottom-up-teknik där de växer extremt smala nanoremsor med jämna, raka kanter direkt på germaniumwafers med hjälp av kemisk ångdeponering (CVD). I denna process startar forskarna med att metan adsorberar till germaniumytan och sönderdelas för bildning av olika kolväten. Dessa kolväten reagerar med varandra på ytan där de bildar grafen.

Arnolds grupp gjorde sin upptäckt när det utforskade att dramatiskt bromsa tillväxten av grafenkristallerna genom att minska mängden metan i CVD-kammaren. De fann att vid en mycket långsam tillväxt växer grafenkristallerna naturligt i långa nanoremsor på en specifik ”kristallfasett” av germanium. Genom att helt enkelt reglera tillväxthastigheten och tillväxttiden kan forskarna fritt justera nanoremsornas bredd till mindre än 10 nanometer.

– Vad vi har upptäckt är att när grafen växer på germanium bildas det naturligt nanoremsor med mycket jämna ”fåtöljkanter”. Bredden kan vara mycket, mycket smal och remsornas längd kan vara väldigt lång så alla önskvärda funktioner som vi vill ha i nanoremsor i grafen ”händer automatiskt” med den här tekniken, säger Arnold.

Nanoremsor som framställdes med den här tekniken börjar kärnbilda, eller växa, på till synes slumpmässiga fläckar på germanium och är orienterade i två olika riktningar på ytan. Arnold säger att gruppens framtida arbete kommer att omfatta att styra var remsorna ska börja växa och styra dem alla i samma riktning. Forskarna har patentsökt sin metod.

Arnolds grupp har samarbetat med ett antal olika samarbetspartners, däribland Nathan Guisinger vid Argonne National Laboratory i USA.

Filed under: Utländsk Teknik