Al fabricar estructuras de grafeno sobre "escalones" a escala nanométrica grabados en carburo de silicio, Los investigadores han creado por primera vez una brecha de banda electrónica sustancial en el material adecuado para la electrónica de temperatura ambiente. El uso de topografía a nanoescala para controlar las propiedades del grafeno podría facilitar la fabricación de transistores y otros dispositivos. potencialmente abriendo la puerta para el desarrollo de circuitos integrados totalmente de carbono.

Los investigadores han medido una banda prohibida de aproximadamente 0,5 electronvoltios en secciones dobladas de 1,4 nanómetros de nanocintas de grafeno. El desarrollo podría proporcionar una nueva dirección al campo de la electrónica del grafeno, que ha luchado con el desafío de crear la banda prohibida necesaria para el funcionamiento de dispositivos electrónicos.

"Esta es una nueva forma de pensar sobre cómo fabricar componentes electrónicos de grafeno de alta velocidad, "dijo Edward Conrad, profesor de la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Georgia. "Ahora podemos considerar seriamente la posibilidad de fabricar transistores rápidos a partir de grafeno. Y debido a que nuestro proceso es escalable, si podemos hacer un transistor, potencialmente podemos hacer millones de ellos ".

Los hallazgos estaban programados para ser publicados el 18 de noviembre en la revista. Física de la naturaleza . La investigación, hecho en el Instituto de Tecnología de Georgia en Atlanta y en SOLEIL, la instalación de sincrotrón nacional francesa, ha sido apoyado por el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales (MRSEC) de la Fundación Nacional de Ciencias en Georgia Tech, el W.M. Keck Foundation y Partner University Fund de la Embajada de Francia.

Los investigadores aún no entienden por qué las nanocintas de grafeno se vuelven semiconductoras cuando se doblan para entrar en pequeños pasos, de unos 20 nanómetros de profundidad, que se cortan en las obleas de carburo de silicio. Pero los investigadores creen que la tensión inducida cuando la red de carbono se dobla, junto con el confinamiento de electrones, pueden ser factores que crean la banda prohibida. Las nanocintas están compuestas por dos capas de grafeno.

La producción de las estructuras de grafeno semiconductoras comienza con el uso de vigas electrónicas para cortar zanjas en obleas de carburo de silicio. que normalmente se pulen para crear una superficie plana para el crecimiento del grafeno epitaxial. Usando un horno de alta temperatura, Luego se cultivan decenas de miles de cintas de grafeno a lo largo de los escalones, utilizando fotolitografía.

Durante el crecimiento, los bordes afilados de las "zanjas" cortadas en el carburo de silicio se vuelven más suaves a medida que el material intenta recuperar su superficie plana. Por lo tanto, el tiempo de crecimiento debe controlarse cuidadosamente para evitar que las características estrechas de carburo de silicio se fundan demasiado.

La fabricación de grafeno también debe controlarse a lo largo de una dirección específica para que la red del átomo de carbono crezca en los escalones a lo largo de la dirección del "sillón" del material. "Es como intentar doblar un trozo de cerca de tela metálica, "Conrad explicó." Solo quiere doblarse en un sentido ".

La nueva técnica permite no solo la creación de una banda prohibida en el material, pero potencialmente también la fabricación de circuitos integrados completos a partir de grafeno sin la necesidad de interfaces que introduzcan resistencia. A cada lado de la sección semiconductora del grafeno, las nanocintas conservan sus propiedades metálicas.

"Podemos hacer miles de estas trincheras, y podemos hacerlos en cualquier lugar que queramos en la oblea, ", dijo Conrad." Esto es más que un grafeno semiconductor. El material en las curvas es semiconductor, y está unido al grafeno de forma continua en ambos lados. Es básicamente un cruce de barrera Shottky ".

Al hacer crecer el grafeno por un borde de la zanja y luego por el otro lado, En teoría, los investigadores podrían producir dos barreras Shottky conectadas, un componente fundamental de los dispositivos semiconductores. Conrad y sus colegas ahora están trabajando para fabricar transistores basados ​​en su descubrimiento.

La confirmación de la banda prohibida provino de mediciones de espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo realizadas en el Sincrotrón CNRS en Francia. Allí, los investigadores dispararon potentes haces de fotones en matrices de nanocintas de grafeno y midieron los electrones emitidos.

"Puedes medir la energía de los electrones que salen, y puedes medir la dirección de donde salen, "dijo Conrad." De esa información, puede trabajar hacia atrás para obtener información sobre la estructura electrónica de las nanocintas ".

Los teóricos habían predicho que doblar el grafeno crearía una brecha en el material. Pero la banda prohibida medida por el equipo de investigación fue mayor de lo que se había predicho.

Más allá de la construcción de transistores y otros dispositivos, En el trabajo futuro, los investigadores intentarán aprender más sobre qué crea la banda prohibida y cómo controlarla. La propiedad puede ser controlada por el ángulo de curvatura en la nanocinta de grafeno, que se puede controlar modificando la profundidad del paso.

"Si intenta colocar una alfombra sobre una pequeña imperfección en el piso, la alfombra lo cubrirá y es posible que ni siquiera sepa que la imperfección está allí, "Conrad explicó." Pero si das un paso, puedes decir. Probablemente haya una variedad de alturas en las que podemos afectar la curva ".

Él predice que el descubrimiento creará una nueva actividad a medida que otros investigadores del grafeno intenten utilizar los resultados.

"Si puedes demostrar un dispositivo rápido, mucha gente estará interesada en esto, ", Dijo Conrad." Si esto funciona a gran escala, podría lanzar un nicho de mercado para alta velocidad, dispositivos electrónicos de alta potencia ".