(PhysOrg.com) - Um processo simples de uma etapa que produz dopagem do tipo n e do tipo p de superfícies de grafeno de grande área pode facilitar o uso do material promissor para futuros dispositivos eletrônicos. A técnica de dopagem também pode ser usada para aumentar a condutividade em nanofitas de grafeno usadas para interconexões.

Ao aplicar um material spin-on-glass (SOG) disponível comercialmente ao grafeno e, em seguida, expô-lo à radiação de feixe de elétrons, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia criaram os dois tipos de doping simplesmente variando o tempo de exposição. Níveis mais altos de áreas do tipo p produzidas por feixe eletrônico, enquanto os níveis mais baixos produziram áreas do tipo n.

A técnica foi usada para fabricar junções p-n de alta resolução. Quando devidamente passivado, o doping criado pelo SOG deve permanecer indefinidamente nas folhas de grafeno estudadas pelos pesquisadores.

"Este é um passo habilitador para tornar possíveis transistores de óxido metálico de grafeno complementares, "disse Raghunath Murali, um engenheiro de pesquisa sênior no Centro de Pesquisa em Nanotecnologia da Georgia Tech.

Um artigo descrevendo a técnica aparece esta semana no jornal Letras de Física Aplicada. A pesquisa foi apoiada pela Semiconductor Research Corporation e pela Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) por meio do Interconnect Focus Center.

No novo processo de doping, Murali e o estudante de graduação Kevin Brenner começam removendo flocos de grafeno com uma a quatro camadas de espessura de um bloco de grafite. Eles colocam o material em uma superfície de silício oxidado, em seguida, fabrique um dispositivo de contato de quatro pontos.

Próximo, eles giram em filmes de silsesquoxano de hidrogênio (HSQ), em seguida, cure certas porções do filme fino resultante usando radiação de feixe de elétrons. A técnica fornece controle preciso sobre a quantidade de radiação e onde ela é aplicada ao grafeno, com níveis mais altos de energia correspondendo a mais reticulação do HSQ.

"Demos doses variáveis ​​de radiação de feixe de elétrons e, em seguida, estudamos como isso influenciava as propriedades dos portadores na rede de grafeno, "Disse Murali." O feixe eletrônico nos deu uma faixa fina de controle que pode ser valiosa para a fabricação de dispositivos em nanoescala. Podemos usar um feixe de elétrons com um diâmetro de quatro ou cinco nanômetros que permite padrões de dopagem muito precisos. "

Medidas eletrônicas mostraram que uma junção p-n de grafeno criada pela nova técnica tinha grandes separações de energia, indicando fortes efeitos de dopagem, ele adicionou.

Pesquisadores em outros lugares demonstraram dopagem com grafeno usando uma variedade de processos, incluindo embeber o material em várias soluções e expô-lo a uma variedade de gases. Acredita-se que o processo Georgia Tech seja o primeiro a fornecer dopagem de elétron e buraco a partir de um único material dopante.

Os processos de dopagem usados ​​para o grafeno são provavelmente significativamente diferentes daqueles estabelecidos para o uso de silício, Disse Murali. Em silício, a etapa de dopagem substitui átomos de um material diferente por átomos de silício na estrutura do material.

No novo processo de etapa única para o grafeno, acredita-se que o doping introduz átomos de hidrogênio e oxigênio nas proximidades da rede de carbono. O oxigênio e o hidrogênio não substituem os átomos de carbono, mas, em vez disso, ocupar locais no topo da estrutura da rede.

"A energia aplicada ao SOG quebra as ligações químicas e libera hidrogênio e oxigênio que se ligam à rede de carbono, "Murali disse." Uma alta energia de feixe eletrônico converte toda a estrutura SOG em mais de uma rede, e então você tem mais oxigênio do que hidrogênio, resultando em um doping do tipo p. "

Na fabricação de volume, a radiação do feixe de elétrons provavelmente seria substituída por um processo de litografia convencional, Disse Murali. A variação da refletância ou transmissão do conjunto de máscara controlaria a quantidade de radiação que chega ao SOG, e isso determinaria se as áreas do tipo n ou do tipo p são criadas.

"Fazer tudo em uma única etapa evitaria algumas das etapas caras da litografia, "disse ele." A litografia em escala de cinza permitiria um controle preciso do doping em toda a superfície da pastilha. "

Para áreas de massa de dopagem, como interconexões que não requerem padronização, os pesquisadores simplesmente revestem a área com HSQ e a expõem a uma fonte de plasma. A técnica pode tornar as nanofitas até 10 vezes mais condutoras do que o grafeno não tratado.

Como o HSQ já está familiarizado com a indústria de microeletrônica, a abordagem de uma etapa para o doping pode ajudar a integrar o grafeno aos processos existentes, evitando a interrupção do projeto maciço de semicondutores e do sistema de fabricação, Murali anotou.

Nos últimos dois anos, pesquisadores do Centro de Pesquisa em Nanotecnologia observaram mudanças causadas pela aplicação do HSQ durante os testes elétricos. Só recentemente eles olharam mais de perto o que estava acontecendo para entender como tirar proveito do fenômeno.

Para o futuro, eles gostariam de entender melhor como funciona o processo e se outros polímeros podem fornecer melhores resultados.

“Precisamos ter um melhor entendimento de como controlar esse processo porque a variabilidade é uma das questões que devem ser controladas para viabilizar a fabricação, "Murali explicou." Estamos tentando identificar outros polímeros que podem fornecer melhor controle ou níveis de dopagem mais fortes.