p (PhysOrg.com) - Pesquisadores de nanotecnologia do Instituto de Tecnologia da Geórgia conduziram a primeira comparação direta de duas técnicas fundamentais que poderiam ser usadas para dopagem química de folhas de grafeno bidimensional para a fabricação de dispositivos e interconexões. p O doping químico é rotineiramente usado em semicondutores tridimensionais convencionais para controlar a densidade de portadores de elétrons que são essenciais para a operação de dispositivos como transistores. Mas o grafeno, um semimetal disponível em folhas de apenas um átomo de espessura, tem propriedades muito diferentes dos materiais tradicionais, como o silício - embora os pesquisadores digam que o doping ainda será necessário para a produção de dispositivos eletrônicos.

p A má notícia é que designers eletrônicos que trabalham com grafeno não serão capazes de simplesmente aplicar o que têm feito com semicondutores tridimensionais - o que se traduziria em qualidade de material amplamente degradada para o grafeno. As boas notícias, de acordo com o estudo, é que o dopagem com grafeno pode ser combinado com outros processos - e precisa ser aplicado apenas às bordas das estruturas em nanoescala que estão sendo fabricadas.

p "Estamos aprendendo a manipular essas folhas bidimensionais de átomos de carbono para obter alguns resultados muito incomuns que não estão disponíveis com nenhum outro material, ”Disse James Meindl, diretor do Centro de Pesquisa em Nanotecnologia da Georgia Tech, onde a pesquisa foi realizada. “Dopar o grafeno para tentar influenciar suas propriedades é importante para ser capaz de usá-lo de forma eficaz.”

p Os detalhes da pesquisa foram publicados online no jornal Carbono em 29 de outubro. A pesquisa foi apoiada pela Semiconductor Research Corporation (SRC), a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) por meio do Interconnect Focus Center, e a National Science Foundation (NSF).

p Como as folhas de grafeno contêm tão poucos átomos por área, a substituição de elementos como oxigênio ou nitrogênio por átomos de carbono na rede - como no doping convencional - diminui a alta mobilidade de elétrons e outras propriedades que tornam o material interessante. Portanto, os pesquisadores estão repensando o processo de dopagem para aproveitar as propriedades exclusivas do grafeno.

p "Quando trabalhamos com um semicondutor tridimensional, incorporamos as espécies contaminantes no material a granel e, em seguida, fabricamos em um dispositivo, ”Disse Kevin Brenner, um assistente de pesquisa de pós-graduação na Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering. “Com grafeno, Nós doparemos o material à medida que o processarmos e o fabricaremos em dispositivos ou interconexões. O doping pode ser feito como parte de outras etapas de fabricação, como corrosão de plasma, e isso exigirá que reinventemos todo o processo. ”

p Usando folhas de grafeno esfoliado, Brenner e os colaboradores Raghu Murali e Yinxiao Yang avaliaram a eficácia de duas técnicas diferentes:passivação de borda por acoplamento de litografia de feixe de elétrons com um material resistente comum, e adsorção do revestimento da superfície do material. Eles descobriram que o tratamento de ponta, que reage quimicamente com os defeitos criados quando o material é cortado, foi mil vezes mais eficiente na produção de carreadores nas folhas de grafeno do que no tratamento de superfície.

p “Estaremos trabalhando apenas com as arestas do material, Brenner explicou. “Isso nos permitirá deixar o centro intocado e livre de defeitos. Usando essa abordagem, podemos manter mobilidades muito altas e as propriedades especiais do grafeno enquanto criamos densidades de portadores muito altas. ”

p Devido à natureza bidimensional do grafeno, controlar a química da borda pode fornecer controle sobre as propriedades de volume da folha. “Em dimensões nanoescala, os átomos da borda tendem a dominar as técnicas de absorção de superfície, ”Ele acrescentou. “Com um dispositivo de grafeno de sete por sete nanômetros, a passivação de apenas uma borda do átomo C fornece o dopagem equivalente a cobrir toda a superfície. ”

p Para dopar a borda de uma estrutura de grafeno, a equipe aplicou uma película fina de silsesquioxano de hidrogênio (HSQ), um produto químico normalmente usado como uma máscara para corrosão, então usou litografia de feixe de elétrons para reticular o material, que adicionou átomos de oxigênio às bordas para criar dopagem do tipo p. O sistema de resistência e feixe de elétrons combinados para fornecer controle em escala nanométrica sobre onde as mudanças químicas ocorreram.

p O tratamento antidopagem também pode ser aplicado usando condicionamento de plasma, Disse Brenner. Controlando os átomos específicos usados ​​no plasma, ou conduzir o processo de corrosão em um ambiente contendo átomos específicos, poderia levar esses átomos para as bordas, onde serviriam como dopantes.

p "Sempre que você cria uma vantagem, você criou um local onde você pode passivar usando um dopante, ”Acrescentou. “Em vez de precisar embuti-lo na superfície, você pode simplesmente pegar a borda que já está lá e passivá-la com oxigênio, azoto, hidrogênio ou outro dopante. Pode ser um processo quase sem esforço porque o doping pode ser feito como parte de outra etapa. ”

p Além de fabricar dispositivos eletrônicos, Cientistas do Centro de Pesquisa em Nanotecnologia estão interessados ​​em usar grafeno para interconexões, potencialmente como um substituto para o cobre. À medida que as estruturas de interconexão se tornam cada vez menores, a resistividade do cobre aumenta. Folhas de grafeno dopadas nas bordas apresentam uma tendência de aumento da dopagem com dimensões reduzidas, possivelmente se tornando mais condutivo conforme seu tamanho encolhe abaixo de 50 nanômetros, tornando-os atraentes para interconexões em nanoescala.

p Armado com informações básicas sobre o doping com grafeno, os pesquisadores esperam agora começar a produzir dispositivos para estudar como o grafeno realmente funciona.

p "Agora que começamos a entender como dopar o material, a próxima etapa é começar a colocar isso em dispositivos em nanoescala, ”Brenner disse. “Queremos ver que tipo de desempenho podemos obter. Isso pode nos dizer onde o nicho do grafeno poderia estar como um material eletrônico. ”

p Meindl, que trabalha com silício desde os primórdios dos circuitos integrados, diz que é muito cedo para prever onde o grafeno acabará por encontrar aplicações comerciais. Mas ele diz que as propriedades do material são interessantes demais para não serem exploradas.

p "As chances são de que algo muito interessante e único se desenvolverá a partir do uso do grafeno, Disse ele. “Mas ainda não temos a capacidade de prever o que seremos capazes de fazer com este novo material.”