Los investigadores han desarrollado un método para "conectar" nanocintas de grafeno (GNR), una clase de materiales unidimensionales que son de interés en el escalado de dispositivos microelectrónicos. Utilizando un proceso basado en microscopía de efecto túnel (STM) de barrido de escritura directa, los contactos metálicos a escala nanométrica se fabricaron en GNR individuales y pudieron controlar el carácter electrónico de los GNR.

Los investigadores dicen que esta es la primera demostración de cómo hacer contactos metálicos con GNR específicos con certeza y que esos contactos inducen la funcionalidad del dispositivo necesaria para el funcionamiento del transistor.

Los resultados de esta investigación, dirigida por el profesor de ingeniería eléctrica e informática (ECE) Joseph Lyding, junto con el estudiante graduado de ECE Pin-Chiao Huang y el estudiante graduado de ciencia e ingeniería de materiales Hongye Sun, se publicaron recientemente en la revista ACS Nano .

"El grafeno existe desde hace tiempo y se piensa que podría ser un material electrónico de alta velocidad, tal vez incluso un sustituto del silicio", explica Lyding. "Pero el problema del grafeno en sí es que no es un semiconductor."

El grafeno es una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor y, si bien puede ser el material más delgado conocido, también es increíblemente fuerte. Se pueden inducir propiedades semiconductoras en el grafeno haciéndolo muy pequeño o fabricándolo en formas específicas, como cintas. Para este proyecto, el coautor Alexander Sinitskii y su grupo de la Universidad de Nebraska sintetizaron GNR atómicamente precisos.

El proceso de fabricar un transistor a partir de GNR incluye colocarlos sobre un sustrato de silicio, conectar cables y hacer pasar corriente a través de los cables para medir las propiedades del transistor. El equipo ha dado el paso crítico de tomar los GNR, que tienen un diámetro más estrecho que una molécula de ADN, y conectarlos. Han desarrollado una técnica en la que los cables también tienen unos pocos nanómetros de ancho.

Otros investigadores han trabajado en este problema colocando muchos GNR sobre una superficie de silicio y colocando electrodos gigantes y esperando lo mejor. Este método, sin embargo, introduce mucha incertidumbre. Lyding y sus alumnos utilizaron un método más preciso para cablear los GNR. Utilizaron un microscopio de efecto túnel (una herramienta de imágenes de resolución atómica) para escanear la superficie en busca de un GNR para usar.

En STM, se acerca una punta afilada a una superficie (del orden de un nanómetro) y se escanea a través de la superficie. Hay un flujo de corriente entre la punta y la superficie, y cuando la punta se topa con átomos en la superficie, como al pasar sobre un badén, ese flujo de corriente se modula. Esto permite la detección y obtención de imágenes de los GNR.

Una vez que encuentran un GNR, utilizan el haz de electrones en el STM para desencadenar la deposición de metal a partir de moléculas precursoras de diboruro de hafnio para crear los cables. El coautor Gregory Girolami y su grupo en el Departamento de Química de la UIUC sintetizaron el precursor de este proceso, llamado escritura directa STM. "Nuestro método de cableado es muy preciso. Cuando vemos un GNR, podemos definir el patrón que queramos y luego conectarlo. No se trata simplemente de arrojar electrodos a ciegas a la superficie", dice Huang.

Otra ventaja de este método es que se realiza en vacío ultraalto (UHV). Esto garantiza que el material se mantenga limpio del agua atmosférica y otros "basura" que degradan el rendimiento del dispositivo.

Los investigadores también investigaron el carácter electrónico de los GNR y descubrieron que cambiaba al colocar los contactos metálicos. El "dopaje" de semiconductores es la introducción intencionada de impurezas para cambiar sus propiedades electrónicas.

Sun explica:"Una forma de dopar los GNR es utilizar diferentes reacciones químicas para cambiar las propiedades de los GNR. Pero ese proceso es difícil. La forma en que lo hacemos es depositando metal. Y, de hecho, podemos elegir el tipo de metal que queremos. poner GNR que también podrían ajustar las características de GNR. Esa es una forma de dopar esencialmente nuestros GNR, sin usar dopantes".

Lyding dice:"El siguiente paso, en el que estamos trabajando ahora, es fabricar un transistor real y medir realmente las características del transistor. Pero sabemos que podemos realizar este proceso prístino, utilizando un vacío ultraalto, para fabricar los electrodos. que son absolutamente necesarios para el funcionamiento del dispositivo."

Más información: Pin-Chiao Huang et al, Contactos sub-5 nm y formación de uniones p-n inducidas en nanocintas de grafeno individuales atómicamente precisas, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c02794

Información de la revista: ACS Nano

Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois