Los cristales de silicio son los semiconductores más utilizados para fabricar transistores, que son componentes electrónicos críticos que se utilizan para realizar operaciones lógicas en informática. Sin embargo, a medida que se crean procesadores más rápidos y potentes, El silicio ha alcanzado un límite de rendimiento:cuanto más rápido conduce la electricidad, cuanto más caliente se pone, provocando sobrecalentamiento.

Grafeno hecho de una hoja de carbono de un solo átomo de espesor, se mantiene mucho más fresco y puede conducir mucho más rápido, pero debe estar en pedazos más pequeños, llamadas nanocintas, para actuar como semiconductor. A pesar de los grandes avances en la fabricación y caracterización de nanocintas, transferirlos limpiamente a las superficies utilizadas para la fabricación de chips ha sido un desafío importante.

Un estudio reciente realizado por investigadores del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas de la Universidad de Illinois y el Departamento de Química de la Universidad de Nebraska-Lincoln ha demostrado el primer paso importante hacia la integración de nanocintas de grafeno atómicamente precisas (APGNR) en sustratos no metálicos. . El papel, "Nanocintas de grafeno Chevron sintetizadas en solución exfoliadas sobre H:Si (100), "fue publicado en Nano letras .

Las nanocintas de grafeno miden solo varios nanómetros de ancho, más allá de los límites del modelado vertical de chips convencional utilizado en la fabricación de chips. Como resultado, cuando se talla a partir de piezas más grandes de grafeno mediante varios enfoques de nanofabricación, Las nanocintas de grafeno no son ni uniformes ni lo suficientemente estrechas para exhibir las propiedades semiconductoras deseadas.

"Cuando vas de arriba hacia abajo, es muy difícil controlar el ancho. Resulta que si el ancho se modula en solo un átomo o dos, las propiedades cambian significativamente, "dijo Adrian Radocea, estudiante de doctorado en el Grupo de Nanoelectrónica y Nanomateriales de Beckman.

Como resultado, las nanocintas deben estar hechas "de abajo hacia arriba, "a partir de moléculas más pequeñas para crear nanocintas atómicamente precisas con propiedades electrónicas altamente uniformes.

"Es como bloques de construcción moleculares:algo así como juntar Legos para construir algo, "dijo Radocea." Se bloquean en su lugar, y terminas con el control exacto sobre el ancho de la cinta ".

El enfoque "de abajo hacia arriba" fue mostrado por primera vez para las nanocintas de grafeno por Cai et al. en un artículo de Nature de 2010 que demuestra el crecimiento de nanocintas de grafeno atómicamente precisas en sustratos metálicos. En 2014, el grupo de investigación de Alexander Sinitskii en la Universidad de Nebraska-Lincoln desarrolló un enfoque alternativo para hacer nanocintas de grafeno atómicamente precisas en solución.

"La síntesis previamente demostrada en sustratos metálicos produce nanocintas de grafeno de muy alta calidad, pero su número es bastante pequeño, como el crecimiento se limita a la superficie del metal precioso, "dijo Sinitskii, profesor asociado de química en la Universidad de Nebraska-Lincoln y autor del estudio. "Es difícil ampliar esta síntesis. Por el contrario, cuando las nanocintas se sintetizan en el entorno de solución tridimensional sin restricciones, se pueden producir en grandes cantidades ".

La dificultad para transferir nanocintas de forma limpia se debe a la alta sensibilidad a los contaminantes ambientales. Tanto las nanocintas sintetizadas en solución como las que crecen en la superficie están expuestas a sustancias químicas durante el proceso de transferencia que pueden afectar el rendimiento de los dispositivos de nanocintas de grafeno. Para superar este desafío, el equipo interdisciplinario utilizó una transferencia seca en un entorno de vacío ultra alto.

Se calentó un aplicador de fibra de vidrio recubierto con polvo de nanocintas de grafeno para eliminar los contaminantes y los residuos de solvente y luego se presionó sobre una superficie de silicio pasivado con hidrógeno recién preparada. Las nanocintas se estudiaron en gran detalle con el microscopio de túnel de barrido de vacío ultra alto desarrollado por Joseph Lyding, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Illinois y autor del estudio. Los investigadores obtuvieron imágenes a escala atómica y mediciones electrónicas de las nanocintas de grafeno que fueron críticas para confirmar sus propiedades electrónicas y comprender la influencia del sustrato.

Experiencia computacional disponible en Beckman, Radocea explicó, fue fundamental para comprender los resultados experimentales. "Todavía estaba recopilando más datos tratando de averiguar qué estaba pasando. Una vez que llegaron los resultados del modelado y comenzamos a mirar los datos de manera diferente, todo tenía sentido ".

Miembros del Grupo de Nanosistemas Computacionales Multiescala de Beckman, Tao Sun, un estudiante de doctorado, y Narayana Aluru, profesor de ciencia e ingeniería mecánica, proporcionó experiencia en modelado computacional a través de la teoría funcional de la densidad para investigar las propiedades de las nanocintas.

"Los cálculos de la teoría funcional de la densidad proporcionaron una comprensión más profunda de las propiedades electrónicas del sistema integrado y las interacciones entre las nanocintas de grafeno y el sustrato de silicio, ", dijo Sun." Fue emocionante que los resultados computacionales pudieran ayudar a explicar y confirmar los resultados experimentales y proporcionar una historia coherente ".

"Las nanocintas de grafeno atómicamente precisas (APGNR) son candidatos serios para la era posterior al silicio cuando falla el escalado del transistor de silicio convencional, ", dijo Lyding." Esto demuestra el primer paso importante hacia la integración de APGNR con sustratos de silicio tecnológicamente relevantes ".

"Encuentro el proyecto muy emocionante porque estás construyendo cosas con control de nivel atómico, así que intentas poner cada átomo exactamente donde quieres que vaya, "dijo Radocea." No hay muchos materiales en los que puedas decir que tienes esa habilidad. Las nanocintas son emocionantes porque existe una necesidad real y una aplicación real ".