(Phys.org) - El grafeno es el material maravilloso que podría resolver el problema de hacer computadoras cada vez más rápidas y dispositivos móviles más pequeños cuando la tecnología actual de microchips de silicio golpea una pared inevitable. Grafeno una sola capa de átomos de carbono en una disposición hexagonal apretada, ha sido muy investigado debido a sus increíbles propiedades electrónicas, con velocidades teóricas 100 veces mayores que las del silicio. Pero poner el material en un microchip que podría superar a la tecnología de silicio actual ha resultado difícil.

La respuesta puede estar en nuevos sistemas a nanoescala basados ​​en capas ultrafinas de materiales con propiedades exóticas. Llamados materiales estratificados bidimensionales, estos sistemas podrían ser importantes para la microelectrónica, varios tipos de sensores hipersensibles, catálisis, ingeniería de tejidos y almacenamiento de energía. Los investigadores de Penn State han aplicado uno de esos materiales en capas 2D, una combinación de grafeno y nitruro de boro hexagonal, para producir un rendimiento mejorado del transistor a una escala industrialmente relevante.

“Otros grupos han demostrado que el grafeno en nitruro de boro puede mejorar el rendimiento de dos a tres veces, pero no de una manera que pueda ampliarse. Por primera vez, hemos podido tomar este material y aplicarlo para hacer transistores a escala de oblea, "Dijo Joshua Robinson, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State y autor correspondiente en un artículo que informa sobre su trabajo en la versión en línea de la revista ACS Nano .

En el artículo, el equipo de Penn State describe un método para integrar una capa delgada de grafeno de solo uno o dos átomos de espesor, con una segunda capa de nitruro de boro hexagonal (hBN) con un espesor de unos pocos átomos hasta varios cientos de átomos. El material bicapa resultante constituye el siguiente paso en la creación de transistores de efecto de campo de grafeno funcionales para dispositivos electrónicos y optoelectrónicos de alta frecuencia.

Investigaciones anteriores de otros grupos han demostrado que un material común llamado nitruro de boro hexagonal (hBN), una mezcla sintética de boro y nitrógeno que se utiliza como lubricante industrial y se encuentra en muchos cosméticos, es un reemplazo potencial para el dióxido de silicio y otros dieléctricos de alto rendimiento que no se han integrado bien con el grafeno. Debido a que el boro se encuentra junto al carbono en la tabla periódica, y el nitruro de boro hexagonal tiene una disposición de átomos similar a la del grafeno, los dos materiales coinciden bien electrónicamente. De hecho, El hBN a menudo se denomina grafeno blanco. Tener un interés más que académico en el laboratorio, sin embargo, la bicapa de hBN-grafeno tuvo que cultivarse a escala de oblea, desde alrededor de 3 pulgadas (75 mm) hasta casi 12 pulgadas (300 mm).

El equipo de Penn State resolvió este problema utilizando una técnica anterior desarrollada en su laboratorio para producir un uniforme, área grande, y una capa de grafeno epitaxial de alta calidad adecuada para aplicaciones de alta frecuencia. Este "grafeno epitaxial cuasi independiente" se produjo uniendo átomos de hidrógeno al grafeno para "pasivar los enlaces colgantes, ”Esencialmente aplanar y suavizar la película de grafeno. El nitruro de boro hexagonal se cultivó luego sobre un sustrato de metal de transición utilizando una técnica de deposición química en fase de vapor que es estándar en la fabricación. El hBN se liberó del sustrato a través de uno de varios procesos de transferencia y se colocó en capas sobre el grafeno en una oblea de 75 mm. marcando la primera integración de grafeno epitaxial con hBN en una escala compatible con las necesidades de la industria.

Sobre la base de su trabajo anterior con el grafeno epitaxial, que ya había aumentado el rendimiento del transistor de dos a tres veces, Esta investigación agrega una mejora adicional de dos a tres veces en el rendimiento y muestra el gran potencial para utilizar el grafeno en la electrónica. según Robinson. En el futuro cercano, El equipo de Penn State espera demostrar circuitos integrados basados ​​en grafeno y dispositivos de alto rendimiento adecuados para la fabricación a escala industrial en obleas de 100 mm.

"Utilizamos toda la litografía estándar, que es importante para la nanofabricación, ”Añadió Robinson. Con el fin de hacer mella en la industria de microchips altamente competitiva, Un nuevo sistema de materiales debe ser compatible con la tecnología de procesamiento actual y ofrecer un aumento significativo del rendimiento.

El nitruro de boro-grafeno es uno de varios sistemas de capas bidimensionales emergentes cuyas propiedades a nanoescala apenas están comenzando a descubrirse. Dimensionalidad según los premios Nobel Novoselov y Geim, es uno de los parámetros de material más definitorios y puede dar lugar a propiedades dramáticamente diferentes según si la estructura del material es 0-D, 1-D, 2-D o 3-D. Penn State se encuentra entre los pioneros que se adentran en lo que puede resultar ser una nueva frontera de la ciencia de los materiales.

Además de Robinson, los coautores del artículo de ACS Nano son Michael Bresnehan, Matthew Hollander, Maxwell Wetherington, Michael LaBella, Kathleen Trumbull, Randal Cavalero, y David Snyder, todo Penn State. El trabajo fue apoyado por la Grúa del Centro de Guerra Naval de Superficie, y el apoyo de instrumentación fue proporcionado por la Red Nacional de Infraestructura de Nanotecnología en Penn State.