p (PhysOrg.com) - Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia desenvolveram uma nova técnica de "crescimento modelado" para a fabricação de dispositivos de grafeno em escala nanométrica. O método aborda o que havia sido um obstáculo significativo para o uso desse material promissor nas futuras gerações de dispositivos eletrônicos de alto desempenho. p A técnica envolve padrões de corrosão nas superfícies de carboneto de silício nas quais o grafeno epitaxial é cultivado. Os padrões servem como modelos direcionando o crescimento das estruturas de grafeno, permitindo a formação de nanofitas de larguras específicas sem o uso de e-beams ou outras técnicas de corte destrutivas. As nanofitas de grafeno produzidas com esses modelos têm bordas suaves que evitam problemas de espalhamento de elétrons.

p "Usando esta abordagem, podemos fazer fitas muito estreitas de grafeno interconectado sem as arestas, "disse Walt de Heer, professor da Georgia Tech School of Physics. "Qualquer coisa que possa ser feita para fazer pequenas estruturas sem ter que cortá-las será útil para o desenvolvimento da eletrônica de grafeno, porque se as bordas forem muito ásperas, elétrons que passam pelas fitas se espalham contra as bordas e reduzem as propriedades desejáveis ​​do grafeno. "

p A nova técnica foi usada para fabricar uma matriz de 10, 000 transistores de grafeno com portas superiores em um chip de 0,24 centímetro quadrado - que se acredita ser a maior densidade de dispositivos de grafeno relatada até agora.

p A pesquisa foi relatada em 3 de outubro na edição online avançada da revista. Nature Nanotechnology . O trabalho foi apoiado pela National Science Foundation, o W.M. Fundação Keck e Instituto de Iniciativa de Pesquisa de Nanoeletrônica para Descoberta e Exploração de Nanoeletrônica (INDEX).

p Ao criar suas nanoestruturas de grafeno, De Heer e sua equipe de pesquisa primeiro usam técnicas convencionais de microeletrônica para gravar pequenos "passos" - ou contornos - em um wafer de carboneto de silício. Eles, então, aquecem a bolacha contornada até aproximadamente 1, 500 graus Celsius, que inicia a fusão que dá brilho a quaisquer bordas ásperas deixadas pelo processo de corrosão.

p Eles então usam técnicas estabelecidas para cultivar grafeno a partir de carboneto de silício, expulsando os átomos de silício da superfície. Em vez de produzir uma camada consistente de grafeno com um átomo de espessura na superfície do wafer, Contudo, os pesquisadores limitam o tempo de aquecimento para que o grafeno cresça apenas nas bordas dos contornos.

p Para fazer isso, eles se aproveitam do fato de que o grafeno cresce mais rapidamente em certas facetas do cristal de carboneto de silício do que em outras. A largura das nanofitas resultantes é proporcional à profundidade do contorno, fornecer um mecanismo para controlar com precisão as nanofitas. Para formar estruturas complexas de grafeno, várias etapas de gravação podem ser realizadas para criar um modelo complexo, de Heer explicou.

p "Ao usar o carboneto de silício para fornecer o modelo, podemos cultivar grafeno exatamente nos tamanhos e formas que queremos, "disse ele." Cortar etapas de várias profundidades nos permite criar estruturas de grafeno que são interconectadas da maneira que queremos que sejam.

p Em fitas de grafeno em escala nanométrica, o confinamento quântico faz com que o material se comporte como um semicondutor adequado para a criação de dispositivos eletrônicos. Mas em fitas de um mícron ou mais de largura, o material atua como um condutor. O controle da profundidade do molde de carboneto de silício permite que os pesquisadores criem essas diferentes estruturas simultaneamente, usando o mesmo processo de crescimento.

p "O mesmo material pode ser um condutor ou um semicondutor, dependendo de sua forma, "observou de Heer, que também é membro do corpo docente do Centro de Pesquisa e Ciência e Engenharia de Materiais da Fundação Nacional de Ciências da Georgia Tech (MRSEC). "Uma das principais vantagens da eletrônica de grafeno é fazer os terminais do dispositivo e as fitas semicondutoras do mesmo material. Isso é importante para evitar a resistência elétrica que se acumula nas junções entre diferentes materiais."

p Após a formação das nanofitas - que podem ser tão estreitas quanto 40 nanômetros - os pesquisadores aplicam um material dielétrico e uma porta de metal para construir transistores de efeito de campo. Embora a fabricação bem-sucedida de transistores de alta qualidade demonstre a viabilidade do grafeno como um material eletrônico, de Heer os vê como apenas o primeiro passo no que poderia ser feito com o material.

p "Quando conseguimos fazer dispositivos bem em nanoescala, podemos então prosseguir para fazer estruturas muito menores e mais finas que irão além dos transistores convencionais para abrir a possibilidade de dispositivos mais sofisticados que usam elétrons mais como luz do que partículas, "disse ele." Se pudermos fatorar as características da mecânica quântica na eletrônica, isso vai abrir muitas possibilidades novas. "

p De Heer e sua equipe de pesquisa agora estão trabalhando para criar estruturas menores, e integrar os dispositivos de grafeno com silício. Os pesquisadores também estão trabalhando para melhorar os transistores de efeito de campo com materiais dielétricos mais finos.

p Em última análise, o grafeno pode ser a base para uma geração de dispositivos de alto desempenho que tirarão vantagem das propriedades exclusivas do material em aplicações onde o custo mais alto pode ser justificado. O silício continuará a ser usado em aplicativos que não exigem um alto desempenho, de Heer disse.

p "Esta é outra etapa que mostra que nosso método de trabalhar com grafeno epitaxial em carboneto de silício é a abordagem certa e aquela que provavelmente será usada para fazer eletrônicos de grafeno, "Ele acrescentou." Este é um novo passo significativo em direção à fabricação de eletrônicos com grafeno. "