Pesquisadores desenvolveram um método de "ligar" nanofitas de grafeno (GNRs), uma classe de materiais unidimensionais que são de interesse no dimensionamento de dispositivos microeletrônicos. Usando um processo baseado em microscopia de varredura por tunelamento de gravação direta (STM), os contatos metálicos em escala nanométrica foram fabricados em GNRs individuais e puderam controlar o caráter eletrônico dos GNRs.



Os pesquisadores dizem que esta é a primeira demonstração de como fazer contatos metálicos para GNRs específicos com certeza e que esses contatos induzem a funcionalidade do dispositivo necessária para o funcionamento do transistor.

Os resultados desta pesquisa, liderada pelo professor de engenharia elétrica e de computação (ECE) Joseph Lyding, juntamente com o estudante de graduação da ECE Pin-Chiao Huang e o estudante de graduação em ciência e engenharia de materiais Hongye Sun, foram publicados recentemente na revista ACS Nano .

“O grafeno já existe há algum tempo e tem sido pensado como algo que poderia potencialmente ser um material eletrônico de alta velocidade, talvez até um substituto para o silício”, explica Lyding. “Mas o problema com o grafeno em si é que ele não é um semicondutor”.

O grafeno é uma camada de átomos de carbono com a espessura de um átomo e, embora possa ser o material mais fino conhecido, também é incrivelmente forte. As propriedades semicondutoras podem ser induzidas no grafeno tornando-o muito pequeno ou fabricando-o em formatos específicos – como fitas. Para este projeto, GNRs atomicamente precisos foram sintetizados pelo co-autor Alexander Sinitskii e seu grupo na Universidade de Nebraska.

O processo de fabricação de um transistor a partir dos GNRs inclui colocá-los em um substrato de silício, conectar fios e passar corrente pelos fios para medir as propriedades do transistor. A equipe deu o passo crítico ao pegar os GNRs, que têm diâmetro mais estreito do que uma molécula de DNA, e conectá-los. Eles desenvolveram uma técnica em que os fios também têm apenas alguns nanômetros de largura.

Outros pesquisadores trabalharam nesse problema colocando muitos GNRs em uma superfície de silício e colocando eletrodos gigantes e esperando pelo melhor. Este método, no entanto, introduz muita incerteza. Lyding e seus alunos usaram um método mais preciso para conectar os GNRs. Eles usaram um microscópio de tunelamento de varredura (uma ferramenta de imagem de resolução atômica) para escanear a superfície em busca de um GNR para usar.

No STM, uma ponta afiada é aproximada de uma superfície – na ordem de um nanômetro – e escaneada através da superfície. Há um fluxo de corrente entre a ponta e a superfície, e quando a ponta encontra átomos na superfície, como se estivesse dirigindo sobre uma lombada, esse fluxo de corrente torna-se modulado. Isso permite a detecção e geração de imagens dos GNRs.

Assim que encontram um GNR, eles usam o feixe de elétrons no STM para desencadear a deposição de metal das moléculas precursoras de diboreto de háfnio para criar os fios. O coautor Gregory Girolami e seu grupo do Departamento de Química da UIUC sintetizaram o precursor desse processo, chamado STM direct-write. "Nosso método de fiação é muito preciso. Quando vemos um GNR, podemos apenas definir um padrão que queremos e então conectá-lo. Não se trata apenas de jogar eletrodos às cegas na superfície", diz Huang.

Outra vantagem desse método é que ele é feito em ultra-alto vácuo (UHV). Isso garante que o material permaneça limpo da água atmosférica e de outros “lixos” que degradam o desempenho do dispositivo.

Os pesquisadores também investigaram o caráter eletrônico dos GNRs e descobriram que ele foi alterado com a colocação dos contatos metálicos. A "dopagem" de semicondutores é a introdução intencional de impurezas para alterar suas propriedades eletrônicas.

Sun explica:"Uma maneira de dopar GNRs é usar diferentes reações químicas para alterar as propriedades do GNR. Mas esse processo é difícil. A forma como fazemos isso é depositando metal. E podemos realmente escolher o tipo de metal que queremos. colocar os GNRs que também poderiam ajustar as características do GNR. Essa é uma maneira de essencialmente dopar nossos GNRs, sem realmente usar dopantes.

Lyding diz:"O próximo passo, no qual estamos trabalhando agora, é fazer um transistor real e realmente medir as características do transistor. Mas sabemos que podemos fazer esse processo original, usando vácuo ultra-alto, de fazer os eletrodos que são absolutamente necessários para o funcionamento do dispositivo."

Mais informações: Pin-Chiao Huang et al, Contatos sub-5 nm e formação de junção p-n induzida em nanofitas de grafeno atomicamente precisas individuais, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c02794
Informações do diário: ACS Nano

Fornecido pela Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois