Ao fabricar estruturas de grafeno em "etapas" em escala nanométrica gravadas em carboneto de silício, os pesquisadores criaram pela primeira vez um gap eletrônico substancial no material adequado para eletrônicos em temperatura ambiente. O uso de topografia em nanoescala para controlar as propriedades do grafeno pode facilitar a fabricação de transistores e outros dispositivos, potencialmente abrindo a porta para o desenvolvimento de circuitos integrados totalmente em carbono.

Os pesquisadores mediram um bandgap de aproximadamente 0,5 elétron-volts em seções dobradas de 1,4 nanômetro de nanofitas de grafeno. O desenvolvimento pode fornecer uma nova direção para o campo da eletrônica de grafeno, que tem lutado com o desafio de criar bandgap necessário para a operação de dispositivos eletrônicos.

"Esta é uma nova maneira de pensar sobre como fazer eletrônicos de grafeno de alta velocidade, "disse Edward Conrad, professor da Escola de Física do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Agora podemos pensar seriamente em fazer transistores rápidos de grafeno. E como nosso processo é escalonável, se pudermos fazer um transistor, podemos potencialmente fazer milhões deles. "

As descobertas foram programadas para serem publicadas em 18 de novembro no jornal Física da Natureza . A pesquisa, feito no Georgia Institute of Technology em Atlanta e no SOLEIL, a instalação síncrotron nacional francesa, foi apoiado pelo Centro de Pesquisa de Ciência e Engenharia de Materiais da National Science Foundation (MRSEC) na Georgia Tech, o W.M. Fundação Keck e o Fundo da Universidade Parceira da Embaixada da França.

Os pesquisadores ainda não entendem por que as nanofitas de grafeno se tornam semicondutoras à medida que se dobram para entrar em pequenos degraus - cerca de 20 nanômetros de profundidade - que são cortados nas pastilhas de carboneto de silício. Mas os pesquisadores acreditam que a tensão induzida conforme a estrutura do carbono se curva, junto com o confinamento de elétrons, podem ser fatores que criam o bandgap. As nanofitas são compostas por duas camadas de grafeno.

A produção das estruturas de grafeno semicondutor começa com o uso de e-feixes para cortar valas em placas de carboneto de silício, que são normalmente polidos para criar uma superfície plana para o crescimento de grafeno epitaxial. Usando um forno de alta temperatura, dezenas de milhares de fitas de grafeno são então cultivadas ao longo das etapas, usando fotolitografia.

Durante o crescimento, as arestas vivas das "trincheiras" cortadas no carboneto de silício tornam-se mais lisas à medida que o material tenta recuperar sua superfície plana. O tempo de crescimento deve, portanto, ser cuidadosamente controlado para evitar que as estreitas características do carboneto de silício derretam demais.

A fabricação do grafeno também deve ser controlada ao longo de uma direção específica para que a rede do átomo de carbono cresça nas etapas ao longo da direção "poltrona" do material. "É como tentar dobrar um pedaço de cerca de arame, - Conrad explicou. - Ele só quer se curvar em uma direção.

A nova técnica permite não só a criação de um bandgap no material, mas potencialmente também a fabricação de circuitos integrados inteiros de grafeno sem a necessidade de interfaces que introduzam resistência. Em ambos os lados da seção semicondutora do grafeno, as nanofitas retêm suas propriedades metálicas.

"Podemos fazer milhares dessas trincheiras, e podemos fazê-los em qualquer lugar que quisermos no wafer, "disse Conrad." Isso é mais do que apenas grafeno semicondutor. O material nas curvas é semicondutor, e está ligado ao grafeno continuamente em ambos os lados. É basicamente uma junção de barreira Shottky. "

Fazendo o grafeno descer por uma borda da trincheira e depois subir pelo outro lado, os pesquisadores poderiam, em teoria, produzir duas barreiras Shottky conectadas - um componente fundamental dos dispositivos semicondutores. Conrad e seus colegas agora estão trabalhando para fabricar transistores com base em sua descoberta.

A confirmação do bandgap veio de medições de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido feitas no Synchrotron CNRS na França. Lá, os pesquisadores dispararam poderosos feixes de fótons em matrizes de nanofitas de grafeno e mediram os elétrons emitidos.

"Você pode medir a energia dos elétrons que saem, e você pode medir a direção de onde eles saem, "disse Conrad." A partir dessa informação, você pode trabalhar de trás para frente para obter informações sobre a estrutura eletrônica das nanofitas. "

Os teóricos previram que dobrar o grafeno criaria uma lacuna no material. Mas o bandgap medido pela equipe de pesquisa foi maior do que o previsto.

Além de construir transistores e outros dispositivos, em trabalhos futuros, os pesquisadores tentarão aprender mais sobre o que cria o bandgap - e como controlá-lo. A propriedade pode ser controlada pelo ângulo da dobra na nanofita de grafeno, que pode ser controlado alterando a profundidade da etapa.

"Se você tentar colocar um tapete sobre uma pequena imperfeição no chão, o tapete vai passar por cima e você pode nem saber que a imperfeição está lá, "Conrad explicou." Mas se você passar de um passo, Você pode dizer. Provavelmente, há uma variedade de alturas em que podemos afetar a curvatura. "

Ele prevê que a descoberta criará uma nova atividade à medida que outros pesquisadores do grafeno tentam utilizar os resultados.

"Se você pode demonstrar um dispositivo rápido, muitas pessoas estarão interessadas nisso, "Conrad disse." Se isso funcionar em grande escala, pode lançar um nicho de mercado para alta velocidade, dispositivos eletrônicos de alta potência. "