Cientistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia forneceram pela primeira vez detalhes de sua técnica de "sublimação controlada por confinamento" para o cultivo de camadas de grafeno epitaxial de alta qualidade em pastilhas de carboneto de silício. A técnica se baseia no controle da pressão de vapor do silício em fase gasosa no forno de alta temperatura usado para fabricar o material.

O princípio básico para o crescimento de camadas finas de grafeno em carboneto de silício requer o aquecimento do material a cerca de 1, 500 graus Celsius sob alto vácuo. O calor expulsa o silício, deixando para trás uma ou mais camadas de grafeno. Mas a evaporação descontrolada do silício pode produzir material de baixa qualidade, inútil para projetistas de dispositivos eletrônicos.

"Para o cultivo de grafeno de alta qualidade em carboneto de silício, controlar a evaporação do silício na temperatura certa é essencial, "disse Walt de Heer, um professor pioneiro da técnica na Georgia Tech School of Physics. "Ao controlar com precisão a taxa na qual o silício sai do wafer, podemos controlar a taxa na qual o grafeno é produzido. Isso nos permite produzir camadas muito boas de grafeno epitaxial. "

De Heer e sua equipe começam colocando um wafer de carboneto de silício em um invólucro feito de grafite. Um pequeno orifício no recipiente controla a fuga de átomos de silício à medida que a bolacha de um centímetro quadrado é aquecida, mantendo a taxa de evaporação e condensação do silício perto de seu equilíbrio térmico. O crescimento do grafeno epitaxial pode ser feito no vácuo ou na presença de um gás inerte como o argônio, e pode ser usado para produzir camadas simples e camadas múltiplas do material.

"Esta técnica parece estar totalmente de acordo com o que as pessoas podem um dia fazer nas instalações de fabricação, "De Heer disse." Acreditamos que isso seja bastante significativo, pois nos permite cultivar grafeno em carboneto de silício de maneira racional e reproduzível. Sentimos que agora entendemos o processo, e acredito que poderia ser ampliado para a fabricação de eletrônicos. "

A técnica para o cultivo de camadas de grandes áreas de grafeno epitaxial foi descrita esta semana na primeira edição da revista. Proceedings of the National Academy of Sciences . A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation através do Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, e o W.M. Fundação Keck.

O artigo também descreve uma técnica para o cultivo de fitas estreitas de grafeno, um processo que o grupo de Heer chamou de "crescimento modelado". Essa técnica, que pode ser útil para fazer interconexões de grafeno, foi descrito pela primeira vez em outubro de 2010 na revista Nature Nanotechnology .

A técnica de crescimento modelada envolve padrões de corrosão em superfícies de carboneto de silício usando processos convencionais de nanolitografia. Os padrões servem como modelos direcionando o crescimento das estruturas de grafeno em porções das superfícies padronizadas. A técnica forma nanofitas de larguras específicas sem o uso de feixes de elétrons ou outras técnicas de corte destrutivas. As nanofitas de grafeno produzidas com esses modelos têm bordas suaves que evitam problemas com o espalhamento de elétrons.

Juntos, as duas técnicas fornecem aos pesquisadores a flexibilidade para produzir grafeno em formas adequadas às diferentes necessidades, de Heer observou. Folhas de grafeno de grande área podem ser cultivadas em ambos os lados terminados em carbono e em silício de uma pastilha de carboneto de silício, enquanto as fitas estreitas podem crescer no lado terminado em silício. Por causa das diferentes técnicas de processamento, apenas um lado de um wafer específico pode ser usado.

A equipe de pesquisa da Georgia Tech - que inclui Claire Berger, Ming Ruan, Mike Sprinkle, Xuebin Li, Yike Hu, Baiqian Zhang, John Hankinson e Edward Conrad - até agora fabricou estruturas tão estreitas quanto 10 nanômetros usando a técnica de crescimento modelado. Esses nanofios exibem propriedades de transporte quântico interessantes.

"Podemos fazer fios quânticos muito bons usando a técnica de crescimento modelada, "De Heer disse." Podemos fazer grandes estruturas e dispositivos que demonstram o Efeito Hall Quantum, o que é importante para muitas aplicações. Demonstramos que o crescimento modelado pode ir até a nanoescala, e que as propriedades ficam ainda melhores lá. "

O desenvolvimento da técnica de sublimação surgiu a partir dos esforços para proteger o grafeno em crescimento do oxigênio e de outros contaminantes no forno. Para resolver as questões de qualidade, a equipe de pesquisa tentou encerrar o wafer em um recipiente de grafite do qual algum gás de silício foi permitido vazar.

"Logo percebemos que o grafeno cultivado no contêiner era muito melhor do que o que estávamos produzindo, "De Heer lembrou." Originalmente, pensamos que era porque o estávamos protegendo de contaminantes. Mais tarde, percebemos que era porque estávamos controlando a evaporação do silício. "

O grafeno epitaxial pode ser a base para uma nova geração de dispositivos de alto desempenho que aproveitarão as propriedades exclusivas do material em aplicações onde custos mais altos podem ser justificados. Silício, material eletrônico de escolha de hoje, continuará a ser usado em aplicativos onde o alto desempenho não é necessário, de Heer disse.

Embora os pesquisadores ainda estejam lutando para projetar dispositivos de grafeno epitaxial em escala nanométrica que aproveitem as propriedades únicas do material, de Heer está confiante de que no final será feito.

"Essas técnicas nos permitem fazer nanoestruturas precisas e parecem ser muito promissoras para fazer os dispositivos em nanoescala de que precisamos, "disse ele." Embora existam sérios desafios pela frente para o uso de grafeno na eletrônica, já superamos barreiras antes. "