p Do ponto de vista de um elétron, o grafeno deve ser um passeio de emoção de arrepiar os cabelos. Por anos, os cientistas observaram que os elétrons podem disparar através do grafeno a velocidades próximas da velocidade da luz, muito mais rápido do que eles podem viajar através do silício e outros materiais semicondutores. p Grafeno, Portanto, foi apontado como um sucessor promissor do silício, com potencial para habilitar mais rápido, dispositivos eletrônicos e fotônicos mais eficientes.

p Mas a fabricação de grafeno puro - um único, perfeitamente plano, folha ultrafina de átomos de carbono, precisamente alinhados e conectados como um fio de galinha - é extremamente difícil. Os processos de fabricação convencionais costumam gerar rugas, que pode atrapalhar a jornada do trem-bala de um elétron, limitando significativamente o desempenho elétrico do grafeno.

p Agora, os engenheiros do MIT descobriram uma maneira de fazer grafeno com menos rugas, e para corrigir as rugas que aparecem. Depois de fabricar e aplainar o grafeno, os pesquisadores testaram sua condutividade elétrica. Eles descobriram que cada wafer exibia um desempenho uniforme, o que significa que os elétrons fluíram livremente através de cada wafer, em velocidades semelhantes, mesmo em regiões previamente enrugadas.

p Em um artigo publicado hoje no Proceedings of the National Academy of Sciences , os pesquisadores relatam que suas técnicas produzem com sucesso em escala de wafer, Grafeno de "domínio único" - camadas únicas de grafeno que são uniformes tanto no arranjo atômico quanto no desempenho eletrônico.

p "Para que o grafeno seja o principal material semicondutor para a indústria, tem que ser de domínio único, de modo que se você fizer milhões de dispositivos nele, o desempenho dos dispositivos é o mesmo em qualquer local, "diz Jeehwan Kim, a Classe de 1947 Professor Assistente de Desenvolvimento de Carreira nos departamentos de Engenharia Mecânica e Ciência e Engenharia de Materiais no MIT. "Agora podemos realmente produzir grafeno de domínio único em escala de wafer."

p Os co-autores de Kim incluem Sanghoon Bae, Samuel Cruz, e Yunjo Kim do MIT, junto com pesquisadores da IBM, a Universidade da Califórnia em Los Angeles, e a Kyungpook National University na Coreia do Sul.

p Uma colcha de retalhos de rugas

p A maneira mais comum de fazer grafeno envolve a deposição de vapor químico, ou CVD, um processo no qual átomos de carbono são depositados em um substrato cristalino, como uma folha de cobre. Uma vez que a folha de cobre é uniformemente revestida com uma única camada de átomos de carbono, os cientistas mergulham tudo em ácido para remover o cobre. O que resta é uma única folha de grafeno, que os pesquisadores retiram do ácido.

p O processo CVD pode produzir relativamente grandes, rugas macroscrópicas no grafeno, devido à aspereza do próprio cobre subjacente e ao processo de extração do grafeno do ácido. O alinhamento dos átomos de carbono não é uniforme no grafeno, criando um estado "policristalino" em que o grafeno se assemelha a um irregular, terreno patchwork, evitando que os elétrons fluam em taxas uniformes.

p Em 2013, enquanto trabalhava na IBM, Kim e seus colegas desenvolveram um método para fabricar wafers de grafeno monocristalino, em que a orientação dos átomos de carbono é exatamente a mesma em todo o wafer.

p Em vez de usar CVD, sua equipe produziu grafeno monocristalino a partir de um wafer de carboneto de silício com uma superfície atomicamente lisa, embora com minúsculo, rugas semelhantes a degraus da ordem de vários nanômetros. Eles então usaram uma folha fina de níquel para retirar o grafeno superior do wafer de carboneto de silício, em um processo chamado transferência de grafeno resolvido por camada.

p Engomar

p Em seu novo jornal, Kim e seus colegas descobriram que os ferros de transferência de grafeno resolvidos em camadas saem dos degraus e minúsculas rugas no grafeno fabricado com carboneto de silício. Antes de transferir a camada de grafeno para uma pastilha de silício, a equipe oxidou o silício, criando uma camada de dióxido de silício que exibe naturalmente cargas eletrostáticas. Quando os pesquisadores então depositaram o grafeno, o dióxido de silício efetivamente puxou os átomos de carbono do grafeno para baixo no wafer, achatando seus degraus e rugas.

p Kim diz que este método de engomar não funcionaria em grafeno fabricado em CVD, como as rugas geradas através do CVD são muito maiores, na ordem de vários mícrons.

p "O processo CVD cria rugas que são muito altas para serem corrigidas, "Notas de Kim." Para carboneto de silício grafeno, as rugas têm apenas alguns nanômetros de altura, curto o suficiente para ser achatado. "

p Para testar se o achatado, bolachas de grafeno monocristalino eram de domínio único, os pesquisadores fabricaram pequenos transistores em vários locais em cada wafer, incluindo em regiões previamente enrugadas.

p "Medimos a mobilidade do elétron ao longo das bolachas, e seu desempenho era comparável, "Kim diz." Além do mais, essa mobilidade no grafeno passado é duas vezes mais rápida. Então, agora realmente temos grafeno de domínio único, e sua qualidade elétrica é muito superior [do que o carboneto de silício ligado ao grafeno]. "

p Kim diz que, embora ainda existam desafios para adaptar o grafeno para uso em eletrônica, os resultados do grupo fornecem aos pesquisadores um plano de como fabricar de forma confiável, intocada, domínio único, grafeno sem rugas na escala de wafer.

p “Se você quiser fazer qualquer dispositivo eletrônico usando grafeno, você precisa trabalhar com grafeno de domínio único, "Kim diz." Ainda há um longo caminho a percorrer para fazer um transistor operacional de grafeno. But we can now show the community guidelines for how you can make single-crystalline, single-domain graphene."