Una nueva técnica de "crecimiento con plantilla" para fabricar nanocintas de grafeno epitaxial ha producido estructuras de solo 15 a 40 nanómetros de ancho que conducen la corriente casi sin resistencia. Estas estructuras podrían abordar el desafío de conectar dispositivos de grafeno hechos con arquitecturas convencionales y preparar el escenario para una nueva generación de dispositivos que aprovechen las propiedades cuánticas de los electrones.

"Ahora podemos hacer muy estrechos, nanocintas conductoras que tienen propiedades balísticas cuánticas, "dijo Walt de Heer, profesor de la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Georgia. "Estas cintas estrechas se vuelven casi como un metal perfecto. Los electrones pueden moverse a través de ellas sin dispersarse, al igual que lo hacen en los nanotubos de carbono ".

De Heer estaba programado para discutir los resultados recientes de este proceso de crecimiento del grafeno el 21 de marzo en la reunión de marzo de 2011 de la Sociedad Estadounidense de Física en Dallas. La investigación fue patrocinada por el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales (MRSEC), respaldado por la Fundación Nacional de Ciencias.

Se informó por primera vez el 3 de octubre en la edición avanzada en línea de la revista. Nanotecnología de la naturaleza , la nueva técnica de fabricación permite la producción de estructuras de grafeno epitaxial con bordes lisos. Las técnicas de fabricación anteriores que usaban haces de electrones para cortar láminas de grafeno producían estructuras de nanocintas con bordes ásperos que dispersaban electrones. causando interferencia. Las nanocintas resultantes tenían propiedades más como aislantes que como conductores.

"En nuestro enfoque de crecimiento basado en plantillas, esencialmente hemos eliminado los bordes que quitan las propiedades deseables del grafeno, "De Heer explicó." Los bordes del grafeno epitaxial se fusionan con el carburo de silicio, produciendo propiedades que son realmente muy interesantes ".

La técnica de "crecimiento con plantilla" comienza con patrones de grabado 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 y otras estructuras de anchuras y formas específicas sin el uso de técnicas de corte que producen los bordes ásperos.

Al crear estas 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 cuya superficie se ha hecho extremadamente plana. 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, se 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 en toda la superficie de la oblea, sin embargo, los investigadores limitan el tiempo de calentamiento para que el grafeno crezca solo en partes de los contornos.

El ancho de las nanocintas resultantes es proporcional a la profundidad de los contornos, proporcionando un mecanismo para controlar con precisión las estructuras de nanocintas. Para formar estructuras complejas, Se pueden realizar varios pasos de grabado para crear plantillas complejas.

"Esta técnica nos permite evitar los complicados pasos de la litografía con haz de electrones que la gente ha estado utilizando para crear estructuras en el grafeno epitaxial". ", señaló De Heer." Estamos viendo muy buenas propiedades que muestran que estas estructuras se pueden utilizar para aplicaciones electrónicas reales ".

Desde la publicación del artículo Nature Nanotechnology, El equipo de de Heer ha ido perfeccionando su técnica. "Hemos llevado esto al extremo:las cintas más limpias y estrechas que podemos hacer, ", dijo." Esperamos poder hacer todo lo que necesitamos con el tamaño de cintas que podemos hacer en este momento, aunque probablemente podríamos reducir el ancho a 10 nanómetros o menos ".

Si bien el equipo de Georgia Tech continúa desarrollando transistores de alta frecuencia, tal vez incluso en el rango de terahercios, su esfuerzo principal ahora se centra en el desarrollo de dispositivos cuánticos. dijo de Heer. Tales dispositivos fueron previstos en las patentes que Georgia Tech posee sobre varios procesos de grafeno epitaxial.

"Esto significa que la forma en que haremos la electrónica de grafeno será diferente, ", explicó." No seguiremos el modelo de usar transistores de efecto de campo estándar (FET), pero buscará dispositivos que utilicen conductores balísticos e interferencia cuántica. Nos dirigimos directamente al uso de los efectos de ondas de electrones en el grafeno ".

Aprovechar las propiedades de las ondas permitirá manipular los electrones con técnicas similares a las que utilizan los ingenieros ópticos. Por ejemplo, la conmutación se puede llevar a cabo utilizando efectos de interferencia, separando haces de electrones y luego recombinándolos en fases opuestas para extinguir las señales.

Los dispositivos cuánticos serían más pequeños que los transistores convencionales y funcionarían a menor potencia. Debido a su capacidad para transportar electrones prácticamente sin resistencia, El grafeno epitaxial puede ser el material ideal para tales dispositivos, dijo de Heer.

"Usar las propiedades cuánticas de los electrones en lugar de las propiedades estándar de las partículas cargadas significa abrir nuevas formas de ver la electrónica, ", predijo." Esta es probablemente la forma en que evolucionará la electrónica, y parece que el grafeno es el material ideal para realizar esta transición ".

El equipo de investigación de De Heer espera demostrar un interruptor rudimentario que funciona con el principio de interferencia cuántica dentro de un año.

El grafeno epitaxial puede ser la base para una nueva generación de dispositivos de alto rendimiento que aprovecharán las propiedades únicas del material en aplicaciones donde se puedan justificar costos más altos. Silicio, el material electrónico de elección actual, seguirá utilizándose en aplicaciones en las que no se requiera un alto rendimiento, dijo de Heer.

"Este es un paso importante en el proceso, ", agregó." Habrá muchas sorpresas a medida que nos movamos hacia estos dispositivos cuánticos y descubramos cómo funcionan. Tenemos buenas razones para creer que esto puede ser la base de una nueva generación de transistores basados ​​en la interferencia cuántica ".