Uma equipe de pesquisadores da National University of Singapore (NUS), liderado pelo professor Loh Kian Ping, que chefia o Departamento de Química da Faculdade de Ciências da NUS, desenvolveu com sucesso um método inovador de uma etapa para cultivar e transferir grafeno de alta qualidade em silício e outros substratos rígidos, abrindo oportunidades para o grafeno ser usado em aplicações de alto valor que atualmente não são tecnologicamente viáveis.

Esta descoberta, inspirado em como os besouros e pererecas mantêm seus pés presos às folhas submersas, é a primeira técnica publicada que realiza as etapas de crescimento e transferência de grafeno em um wafer de silício. Esta técnica possibilita a aplicação tecnológica do grafeno em fotônica e eletrônica, para dispositivos como moduladores optoeletrônicos, transistores, biossensores on-chip e barreiras de tunelamento.

A inovação foi publicada online pela primeira vez em uma revista científica de prestígio Natureza em 11 de dezembro de 2013.

Demanda por grafeno em indústrias baseadas em silício

O grafeno tem atraído muita atenção nos últimos anos por causa de sua excelente eletrônica, propriedades ópticas e mecânicas, bem como seu uso como filmes transparentes condutivos para painéis touch screen de eletrodos. Contudo, a produção de filmes de grafeno em escala de wafer de alta qualidade é cercada por muitos desafios, entre os quais está a ausência de uma técnica para cultivar e transferir grafeno com defeitos mínimos para uso em indústrias de semicondutores.

Disse o Prof Loh, que também é investigador principal do Centro de Pesquisa de Grafeno da Faculdade de Ciências NUS, "Embora existam muitas aplicações potenciais para o grafeno flexível, deve ser lembrado que até hoje, a maioria dos semicondutores opera em substratos "rígidos", como silício e quartzo. "

"O crescimento direto do filme de grafeno na pastilha de silício é útil para permitir várias aplicações optoeletrônicas, mas os esforços de pesquisa atuais permanecem fundamentados no estágio de prova de conceito. Um método de transferência que atenda a este segmento de mercado é definitivamente necessário, e foi negligenciado na onda de dispositivos flexíveis, "Prof Loh acrescentou.

Inspirando-se em besouros e pererecas

Para resolver a lacuna tecnológica atual, a equipe NUS liderada pelo Prof Loh extraiu suas dicas de como besouros e pererecas mantêm seus pés presos a folhas totalmente submersas, e desenvolveu um novo processo denominado "transferência face a face".

Dr. Gao Libo, o primeiro autor do artigo e pesquisador do Graphene Research Center da NUS Faculty of Science, cresceu grafeno em uma camada de catalisador de cobre revestindo um substrato de silício. Após o crescimento, o cobre é decapado enquanto o grafeno é mantido no lugar por bolhas que formam pontes capilares, semelhantes aos vistos ao redor dos pés de besouros e pererecas presas a folhas submersas. As pontes capilares ajudam a manter o grafeno na superfície do silício e evitam sua delaminação durante o ataque do catalisador de cobre. O grafeno então se liga à camada de silício.

Para facilitar a formação de pontes capilares, uma etapa de pré-tratamento envolvendo a injeção de gases no wafer foi aplicada pelo Dr. Gao. Isso ajuda a modificar as propriedades da interface e facilita a formação de pontes capilares durante a infiltração de um líquido de remoção de catalisador. A co-adição de surfactante ajuda a eliminar quaisquer dobras e vincos que possam ser criados durante o processo de transferência.

Aplicações industriais e novos insights

Esta nova técnica de cultivo de grafeno diretamente em bolachas de silício e outros substratos rígidos será muito útil para o desenvolvimento de plataformas de grafeno sobre silício emergentes rapidamente, que têm mostrado uma gama de aplicações promissora. O método de "transferência face a face" desenvolvido pela equipe da NUS também é adequado para linhas de produção de semicondutores processados ​​em lote, como a fabricação de circuitos integrados em grande escala em wafers de silício.

Para promover sua pesquisa, O professor Loh e sua equipe otimizarão o processo a fim de alcançar uma produção de alto rendimento de grafeno de grande diâmetro em silício, bem como direcionar aplicativos específicos habilitados para grafeno em silício. A equipe também está aplicando as técnicas a outros filmes bidimensionais. As conversas estão em andamento com potenciais parceiros da indústria.