Desde el punto de vista de un electrón, el grafeno debe ser un viaje emocionante y espeluznante. Durante años, Los científicos han observado que los electrones pueden atravesar el grafeno a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, mucho más rápido de lo que pueden viajar a través del silicio y otros materiales semiconductores.

Grafeno por lo tanto, ha sido promocionado como un sucesor prometedor del silicio, con el potencial de habilitar más rápido, dispositivos electrónicos y fotónicos más eficientes.

Pero fabricar grafeno prístino, un solo, perfectamente plano, hoja ultrafina de átomos de carbono, alineados y enlazados con precisión como un alambre de gallinero, es extremadamente difícil. Los procesos de fabricación convencionales a menudo generan arrugas, que puede descarrilar el viaje en tren bala de un electrón, limitando significativamente el rendimiento eléctrico del grafeno.

Ahora, los ingenieros del MIT han encontrado una forma de hacer grafeno con menos arrugas, y para eliminar las arrugas que aparezcan. Después de fabricar y luego aplanar el grafeno, los investigadores probaron su conductividad eléctrica. Encontraron que cada oblea exhibía un rendimiento uniforme, lo que significa que los electrones fluían libremente a través de cada oblea, a velocidades similares, incluso en regiones previamente arrugadas.

En un artículo publicado hoy en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , los investigadores informan que sus técnicas producen con éxito a escala de obleas, Grafeno de "dominio único":capas únicas de grafeno que son uniformes tanto en la disposición atómica como en el rendimiento electrónico.

"Para que el grafeno actúe como principal material semiconductor para la industria, tiene que ser de un solo dominio, de modo que si crea millones de dispositivos en él, el rendimiento de los dispositivos es el mismo en cualquier lugar, "dice Jeehwan Kim, Profesor asistente de desarrollo profesional de la promoción de 1947 en los departamentos de Ingeniería Mecánica y Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. "Ahora realmente podemos producir grafeno de dominio único a escala de obleas".

Los coautores de Kim incluyen a Sanghoon Bae, Samuel Cruz, y Yunjo Kim del MIT, junto con investigadores de IBM, la Universidad de California en Los Ángeles, y la Universidad Nacional Kyungpook en Corea del Sur.

Un mosaico de arrugas

La forma más común de producir grafeno implica la deposición de vapor químico, o CVD, un proceso en el que los átomos de carbono se depositan sobre un sustrato cristalino como una hoja de cobre. Una vez que la lámina de cobre se recubre uniformemente con una sola capa de átomos de carbono, los científicos sumergen todo en ácido para eliminar el cobre. Lo que queda es una sola hoja de grafeno, que luego los investigadores extraen del ácido.

El proceso CVD puede producir relativamente grandes, arrugas macroscópicas en grafeno, debido a la rugosidad del propio cobre subyacente y al proceso de extraer el grafeno del ácido. La alineación de los átomos de carbono no es uniforme en el grafeno, creando un estado "policristalino" en el que el grafeno se asemeja a un terreno de retazos, impidiendo que los electrones fluyan a velocidades uniformes.

En 2013, mientras trabajaba en IBM, Kim y sus colegas desarrollaron un método para fabricar obleas de grafeno monocristalino, en el que la orientación de los átomos de carbono es exactamente la misma en toda una oblea.

En lugar de utilizar CVD, su equipo produjo grafeno monocristalino a partir de una oblea de carburo de silicio con una superficie atómicamente lisa, aunque con diminuto, arrugas escalonadas del orden de varios nanómetros. Luego usaron una fina hoja de níquel para despegar el grafeno superior de la oblea de carburo de silicio. en un proceso llamado transferencia de grafeno resuelto en capas.

Cargos de planchado

En su nuevo periódico, Kim y sus colegas descubrieron que la transferencia de grafeno resuelto en capas elimina los escalones y las pequeñas arrugas del grafeno fabricado con carburo de silicio. Antes de transferir la capa de grafeno a una oblea de silicio, el equipo oxidó el silicio, creando una capa de dióxido de silicio que naturalmente exhibe cargas electrostáticas. Cuando los investigadores depositaron el grafeno, el dióxido de silicio tiró efectivamente los átomos de carbono del grafeno hacia la oblea, aplanando sus pasos y arrugas.

Kim dice que este método de planchado no funcionaría con grafeno fabricado con CVD, ya que las arrugas generadas por ECV son mucho más grandes, del orden de varias micras.

"El proceso de CVD crea arrugas que son demasiado altas para ser eliminadas, "Kim señala". Para el grafeno de carburo de silicio, las arrugas tienen solo unos nanómetros de altura, lo suficientemente corto como para aplanarlo ".

Para probar si el aplanado, las obleas de grafeno monocristalino eran de dominio único, los investigadores fabricaron pequeños transistores en múltiples sitios en cada oblea, incluso en regiones previamente arrugadas.

"Medimos la movilidad de los electrones a lo largo de las obleas, y su desempeño fue comparable, "Dice Kim." Además, esta movilidad en el grafeno planchado es dos veces más rápida. Así que ahora realmente tenemos grafeno de dominio único, y su calidad eléctrica es mucho más alta [que la del carburo de silicio unido al grafeno] ".

Kim dice que si bien todavía existen desafíos para adaptar el grafeno para su uso en electrónica, Los resultados del grupo brindan a los investigadores un plan sobre cómo fabricar de manera confiable productos prístinos, dominio único, grafeno sin arrugas a escala de obleas.

"Si quieres fabricar cualquier dispositivo electrónico con grafeno, necesitas trabajar con grafeno de dominio único, ", Dice Kim." Aún queda un largo camino por recorrer para hacer un transistor operativo con grafeno. But we can now show the community guidelines for how you can make single-crystalline, single-domain graphene."