(PhysOrg.com) - Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han desarrollado una nueva técnica de "crecimiento con plantilla" para fabricar dispositivos de grafeno a escala nanométrica. El método aborda lo que había sido un obstáculo significativo para el uso de este material prometedor en las generaciones futuras de dispositivos electrónicos de alto rendimiento.

La técnica consiste en grabar patrones en las superficies de carburo de silicio en las que se cultiva el grafeno epitaxial. Los patrones sirven como plantillas que dirigen el crecimiento de las estructuras de grafeno, permitiendo la formación de nanocintas de anchos específicos sin el uso de vigas eléctricas u otras técnicas de corte destructivas. Las nanocintas de grafeno producidas con estas plantillas tienen bordes suaves que evitan problemas de dispersión de electrones.

"Con este enfoque, podemos hacer cintas muy estrechas de grafeno interconectado sin los bordes ásperos, "dijo Walt de Heer, profesor de la Escuela de Física de Georgia Tech. "Todo lo que se pueda hacer para hacer estructuras pequeñas sin tener que cortarlas será útil para el desarrollo de la electrónica de grafeno porque si los bordes son demasiado ásperos, los electrones que pasan a través de las cintas se dispersan contra los bordes y reducen las propiedades deseables del grafeno ".

La nueva técnica se ha utilizado para fabricar una matriz de 10, 000 transistores de grafeno de puerta superior en un chip de 0,24 centímetros cuadrados, que se cree que es la mayor densidad de dispositivos de grafeno informada hasta ahora.

La investigación se informó el 3 de octubre en la edición avanzada en línea de la revista. Nanotecnología de la naturaleza . El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation, el W.M. Keck Foundation y el Instituto de la Iniciativa de Investigación Nanoelectrónica para el Descubrimiento y Exploración de Nanoelectrónica (INDEX).

Al crear sus nanoestructuras de grafeno, De Heer y su equipo de investigación utilizan por primera vez técnicas microelectrónicas convencionales para grabar pequeños "pasos", o contornos, en una oblea de carburo de silicio. Luego calientan la oblea contorneada a aproximadamente 1, 500 grados centígrados, que inicia la fusión que pule cualquier borde áspero dejado por el proceso de grabado.

Luego utilizan técnicas establecidas para cultivar grafeno a partir de carburo de silicio expulsando los átomos de silicio de la superficie. En lugar de producir una capa consistente de grafeno de un átomo de espesor en la superficie de la oblea, sin embargo, los investigadores limitan el tiempo de calentamiento para que el grafeno crezca solo en los bordes de los contornos.

Para hacer esto, aprovechan el hecho de que el grafeno crece más rápidamente en ciertas facetas del cristal de carburo de silicio que en otras. El ancho de las nanocintas resultantes es proporcional a la profundidad del contorno, proporcionando un mecanismo para controlar con precisión las nanocintas. Para formar estructuras complejas de grafeno, Se pueden realizar varios pasos de grabado para crear una plantilla compleja, De Heer explicó.

"Al utilizar el carburo de silicio para proporcionar la plantilla, podemos cultivar grafeno exactamente en los tamaños y formas que queramos, "Dijo." Cortar pasos de varias profundidades nos permite crear estructuras de grafeno que están interconectadas de la manera que queremos que estén.

En cintas de grafeno a escala nanométrica, El confinamiento cuántico hace que el material se comporte como un semiconductor adecuado para la creación de dispositivos electrónicos. Pero en cintas de una micra o más de ancho, el material actúa como conductor. El control de la profundidad de la plantilla de carburo de silicio permite a los investigadores crear estas diferentes estructuras simultáneamente, utilizando el mismo proceso de crecimiento.

"El mismo material puede ser un conductor o un semiconductor dependiendo de su forma, "señaló De Heer, quien también es miembro de la facultad en el Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales (MRSEC) apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias de Georgia Tech. "Una de las principales ventajas de la electrónica de grafeno es hacer que los cables del dispositivo y las cintas semiconductoras sean del mismo material. Eso es importante para evitar la resistencia eléctrica que se acumula en las uniones entre diferentes materiales".

Después de la formación de las nanocintas, que pueden ser tan estrechas como 40 nanómetros, los investigadores aplican un material dieléctrico y una compuerta de metal para construir transistores de efecto de campo. Si bien la fabricación exitosa de transistores de alta calidad demuestra la viabilidad del grafeno como material electrónico, De Heer los ve como solo el primer paso en lo que se podría hacer con el material.

"Cuando logramos fabricar dispositivos bien a nanoescala, luego podemos pasar a hacer estructuras mucho más pequeñas y finas que irán más allá de los transistores convencionales para abrir la posibilidad de dispositivos más sofisticados que usan electrones más como luz que como partículas, ", dijo." Si podemos factorizar las características de la mecánica cuántica en la electrónica, eso abrirá muchas posibilidades nuevas ".

De Heer y su equipo de investigación ahora están trabajando para crear estructuras más pequeñas, e integrar los dispositivos de grafeno con silicio. Los investigadores también están trabajando para mejorar los transistores de efecto de campo con materiales dieléctricos más delgados.

Por último, El grafeno puede ser la base para una generación de dispositivos de alto rendimiento que aprovecharán las propiedades únicas del material en aplicaciones donde el costo más alto puede justificarse. El silicio seguirá utilizándose en aplicaciones que no requieran un rendimiento tan alto, dijo de Heer.

"Este es otro paso que muestra que nuestro método de trabajo con grafeno epitaxial en carburo de silicio es el enfoque correcto y el que probablemente se utilizará para fabricar componentes electrónicos de grafeno". ", agregó." Este es un nuevo paso significativo hacia la fabricación de productos electrónicos con grafeno ".