(PhysOrg.com) - Investigadores de nanotecnología del Instituto de Tecnología de Georgia han realizado la primera comparación directa de dos técnicas fundamentales que podrían usarse para dopar químicamente láminas de grafeno bidimensional para la fabricación de dispositivos e interconexiones.

El dopaje químico se utiliza habitualmente en semiconductores tridimensionales convencionales para controlar la densidad de los portadores de electrones que son esenciales para el funcionamiento de dispositivos como los transistores. Pero el grafeno un semi-metal disponible en láminas de un solo átomo de espesor, tiene propiedades muy diferentes a las de los materiales tradicionales como el silicio, aunque los investigadores dicen que el dopaje seguirá siendo necesario para producir dispositivos electrónicos.

La mala noticia es que los diseñadores electrónicos que trabajan con grafeno no podrán simplemente aplicar lo que han estado haciendo con semiconductores tridimensionales, lo que se traduciría en una calidad de material muy degradada para el grafeno. Las buenas noticias, según el estudio, es que el dopaje con grafeno se puede combinar con otros procesos y es necesario aplicarlo solo a los bordes de las estructuras a nanoescala que se están fabricando.

"Estamos aprendiendo a manipular estas láminas bidimensionales de átomos de carbono para obtener resultados muy inusuales que no están disponibles con ningún otro material". "Dijo James Meindl, director del Centro de Investigación de Nanotecnología de Georgia Tech, donde se realizó la investigación. "El dopaje del grafeno para tratar de influir en sus propiedades es importante para poder utilizarlo de forma eficaz".

Los detalles de la investigación se publicaron en línea en la revista. Carbón el 29 de octubre. La investigación fue apoyada por Semiconductor Research Corporation (SRC), la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) a través del Interconnect Focus Center, y la National Science Foundation (NSF).

Debido a que las láminas de grafeno contienen tan pocos átomos por área, la sustitución de elementos como oxígeno o nitrógeno por átomos de carbono en la red, como en el dopaje convencional, resta valor a la alta movilidad de los electrones y otras propiedades que hacen que el material sea interesante. Entonces, los investigadores están reconsiderando el proceso de dopaje para aprovechar las propiedades únicas del grafeno.

"Cuando trabajamos con un semiconductor tridimensional, incrustamos las especies dopantes en el material a granel y luego lo fabricamos en un dispositivo, "Dijo Kevin Brenner, asistente de investigación de posgrado en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech. "Con grafeno, Doparemos el material a medida que lo procesamos y lo fabricaremos en dispositivos o interconexiones. El dopaje se puede realizar como parte de otros pasos de fabricación, como grabado con plasma, y eso requerirá que reinventemos todo el proceso ".

Usando láminas de grafeno exfoliado, Brenner y sus colaboradores Raghu Murali y Yinxiao Yang evaluaron la efectividad de dos técnicas diferentes:pasivación de bordes mediante el acoplamiento de la litografía por haz de electrones con un material de resistencia común, y adsorción por revestir la superficie del material. Descubrieron que el tratamiento de borde, que reacciona químicamente con los defectos creados cuando se corta el material, fue mil veces más eficiente para producir portadores en las láminas de grafeno que el tratamiento de superficie.

"Solo trabajaremos con los bordes del material, —Explicó Brenner. “Eso nos permitirá dejar el centro impecable y libre de defectos. Usando este enfoque, podemos mantener una movilidad muy alta y las propiedades especiales del grafeno mientras creamos densidades de portadores muy altas ".

Debido a la naturaleza bidimensional del grafeno, El control de la química del borde puede proporcionar control sobre las propiedades de volumen de la hoja. "En dimensiones a nanoescala, los átomos del borde tienden a dominar las técnicas de absorción de superficie, ”Añadió. "Con un dispositivo de grafeno de siete por siete nanómetros, pasivar solo un átomo de C de borde proporciona el dopaje equivalente a cubrir toda la superficie ".

Para dopar el borde de una estructura de grafeno, el equipo aplicó una fina película de hidrógeno silsesquioxano (HSQ), una sustancia química que se utiliza normalmente como resistencia para grabar, luego usó litografía por haz de electrones para reticular el material, que agregó átomos de oxígeno a los bordes para crear un dopaje de tipo p. La resistencia y el sistema de haz de electrones se combinaron para proporcionar un control a escala nanométrica sobre dónde tuvieron lugar los cambios químicos.

El tratamiento antidopaje también se puede aplicar mediante grabado con plasma, Dijo Brenner. Controlar los átomos específicos utilizados en el plasma, o realizar el proceso de grabado en un entorno que contenga átomos específicos, podría conducir esos átomos hacia los bordes donde servirían como dopantes.

"Cada vez que crea una ventaja, ha creado una ubicación en la que puede pasivar con un dopante, ”Añadió. "En lugar de tener que incrustarlo en la superficie, puede simplemente tomar el borde que ya está allí y pasivarlo con oxígeno, nitrógeno, hidrógeno u otro dopante. Podría ser un proceso casi sin esfuerzo porque el dopaje se puede hacer como parte de otro paso ".

Más allá de fabricar dispositivos electrónicos, Los científicos del Centro de Investigación de Nanotecnología están interesados ​​en utilizar grafeno para interconexiones, potencialmente como reemplazo del cobre. A medida que las estructuras de interconexión se vuelven cada vez más pequeñas, la resistividad del cobre aumenta. Las láminas de grafeno dopado en los bordes muestran una tendencia a aumentar el dopaje con dimensiones reducidas, posiblemente volviéndose más conductivos a medida que su tamaño se reduce por debajo de los 50 nanómetros, haciéndolos atractivos para las interconexiones a nanoescala.

Armados con información básica sobre el dopaje con grafeno, los investigadores esperan comenzar ahora a producir dispositivos para estudiar cómo funciona realmente el grafeno.

"Ahora que hemos comenzado a comprender cómo dopar el material, el siguiente paso es comenzar a poner esto en dispositivos a nanoescala, —Dijo Brenner. “Queremos ver qué tipo de rendimiento podemos obtener. Eso puede decirnos dónde podría estar el nicho del grafeno como material electrónico ".

Meindl, que ha trabajado con silicio desde los albores de los circuitos integrados, dice que es demasiado pronto para predecir dónde encontrará finalmente aplicaciones comerciales el grafeno. Pero dice que las propiedades del material son demasiado interesantes para no explorarlas.

"Lo más probable es que se desarrolle algo muy interesante y único a partir del uso del grafeno, ”Dijo. "Pero todavía no tenemos la capacidad de predecir lo que seremos capaces de hacer con este nuevo material".