Los científicos del Instituto de Tecnología de Georgia han proporcionado por primera vez detalles de su técnica de "sublimación controlada por confinamiento" para cultivar capas de grafeno epitaxial de alta calidad en obleas de carburo de silicio. La técnica se basa en controlar la presión de vapor del silicio en fase gaseosa en el horno de alta temperatura utilizado para fabricar el material.

El principio básico para cultivar capas delgadas de grafeno sobre carburo de silicio requiere calentar el material a aproximadamente 1, 500 grados Celsius a alto vacío. El calor expulsa el silicio, dejando atrás una o más capas de grafeno. Pero la evaporación incontrolada de silicio puede producir material de mala calidad inútil para los diseñadores de dispositivos electrónicos.

"Para cultivar grafeno de alta calidad en carburo de silicio, controlar la evaporación del silicio a la temperatura adecuada es esencial, "dijo Walt de Heer, un profesor que fue pionero en la técnica en la Escuela de Física de Georgia Tech. "Al controlar con precisión la velocidad a la que el silicio sale de la oblea, podemos controlar la velocidad a la que se produce el grafeno. Eso nos permite producir capas muy agradables de grafeno epitaxial ".

De Heer y su equipo comienzan colocando una oblea de carburo de silicio en una caja de grafito. Un pequeño orificio en el recipiente controla el escape de átomos de silicio a medida que se calienta la oblea de un centímetro cuadrado. manteniendo la tasa de evaporación y condensación del silicio cerca de su equilibrio térmico. El crecimiento del grafeno epitaxial se puede realizar al vacío o en presencia de un gas inerte como el argón, y se puede utilizar para producir tanto capas individuales como múltiples capas del material.

"Esta técnica parece estar completamente en línea con lo que la gente podría hacer algún día en las instalaciones de fabricación, ", dijo de Heer." Creemos que esto es bastante significativo al permitirnos cultivar grafeno de manera racional y reproducible sobre carburo de silicio. Sentimos que ahora entendemos el proceso, y creemos que podría ampliarse para la fabricación de productos electrónicos ".

La técnica para el crecimiento de capas de grafeno epitaxial de gran superficie se describió esta semana en la edición inicial de la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . La investigación ha sido apoyada por la National Science Foundation a través del Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, y el W.M. Fundación Keck.

El documento también describe una técnica para cultivar cintas de grafeno estrechas, un proceso que el grupo de De Heer ha llamado "crecimiento basado en plantillas". Esa técnica, que podría ser útil para hacer interconexiones de grafeno, fue descrita por primera vez en octubre de 2010 en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

La técnica de crecimiento con plantilla implica grabar patrones en superficies de carburo de silicio utilizando procesos de nanolitografía convencionales. Los patrones sirven como plantillas que dirigen el crecimiento de las estructuras de grafeno en partes de las superficies estampadas. La técnica forma nanocintas de anchos específicos sin el uso de haces de electrones u otras técnicas de corte destructivas. Las nanocintas de grafeno producidas con estas plantillas tienen bordes suaves que evitan problemas con la dispersión de electrones.

Juntos, las dos técnicas brindan a los investigadores la flexibilidad para producir grafeno en formas apropiadas para diferentes necesidades, señaló de Heer. Se pueden cultivar láminas de grafeno de gran superficie en los lados terminados en carbono y en silicio de una oblea de carburo de silicio. mientras que las cintas estrechas pueden crecer en el lado terminado en silicio. Debido a las diferentes técnicas de procesamiento, sólo se puede utilizar un lado de una oblea en particular.

El equipo de investigación de Georgia Tech, que incluye a Claire Berger, Ming Ruan, Mike Sprinkle, Xuebin Li, Yike Hu, Baiqian Zhang, John Hankinson y Edward Conrad - hasta ahora ha fabricado estructuras tan estrechas como 10 nanómetros utilizando la técnica de crecimiento con plantilla. Estos nanocables exhiben interesantes propiedades de transporte cuántico.

"Podemos hacer muy buenos cables cuánticos utilizando la técnica de crecimiento con plantilla, ", dijo de Heer." Podemos hacer grandes estructuras y dispositivos que demuestren el efecto Hall cuántico, que es importante para muchas aplicaciones. Hemos demostrado que el crecimiento basado en plantillas puede llegar hasta la nanoescala, y que las propiedades mejoren aún más allí ".

El desarrollo de la técnica de sublimación surgió de los esfuerzos para proteger el grafeno en crecimiento del oxígeno y otros contaminantes en el horno. Para abordar los problemas de calidad, el equipo de investigación intentó encerrar la oblea en un recipiente de grafito del que se permitió que se filtrara algo de gas de silicio.

"Pronto nos dimos cuenta de que el grafeno cultivado en el contenedor era mucho mejor de lo que habíamos estado produciendo, "recordó de Heer." Originalmente, pensamos que era porque lo estábamos protegiendo de los contaminantes. Más tarde, nos dimos cuenta de que era porque estábamos controlando la evaporación del silicio ".

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.

Aunque los investigadores todavía están luchando por diseñar dispositivos de grafeno epitaxial a escala nanométrica que aprovechen las propiedades únicas del material, De Heer confía en que finalmente se hará.

"Estas técnicas nos permiten hacer nanoestructuras precisas y parecen ser muy prometedoras para fabricar los dispositivos a nanoescala que necesitamos. ", dijo." Si bien hay serios desafíos por delante para el uso del grafeno en la electrónica, hemos superado obstáculos antes ".