(PhysOrg.com) -- Des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont mis au point une nouvelle technique de « croissance par modèle » pour la fabrication de dispositifs en graphène à l'échelle nanométrique. La méthode aborde ce qui avait été un obstacle important à l'utilisation de ce matériau prometteur dans les futures générations d'appareils électroniques haute performance.

La technique consiste à graver des motifs dans les surfaces de carbure de silicium sur lesquelles le graphène épitaxié est développé. Les motifs servent de modèles dirigeant la croissance des structures de graphène, permettant la formation de nanorubans de largeurs spécifiques sans l'utilisation de faisceaux électroniques ou d'autres techniques de coupe destructives. Les nanorubans de graphène produits avec ces modèles ont des bords lisses qui évitent les problèmes de diffusion des électrons.

« En utilisant cette approche, nous pouvons faire des rubans très étroits de graphène interconnecté sans les bords rugueux, " dit Walt de Heer, professeur à la Georgia Tech School of Physics. "Tout ce qui peut être fait pour fabriquer de petites structures sans avoir à les couper va être utile au développement de l'électronique au graphène car si les bords sont trop rugueux, les électrons passant à travers les rubans se dispersent contre les bords et réduisent les propriétés souhaitables du graphène."

La nouvelle technique a été utilisée pour fabriquer un réseau de 10, 000 transistors au graphène à grille supérieure sur une puce de 0,24 centimètre carré - considéré comme la plus grande densité de dispositifs au graphène signalée à ce jour.

La recherche a été publiée le 3 octobre dans l'édition en ligne anticipée de la revue Nature Nanotechnologie . Le travail a été soutenu par la National Science Foundation, le W.M. Fondation Keck et Nanoelectronics Research Initiative Institute for Nanoelectronics Discovery and Exploration (INDEX).

En créant leurs nanostructures de graphène, De Heer et son équipe de recherche utilisent d'abord des techniques microélectroniques conventionnelles pour graver de minuscules « étapes » – ou contours – dans une plaquette de carbure de silicium. Ils chauffent ensuite la plaquette profilée à environ 1, 500 degrés Celsius, qui initie la fusion qui polit les bords rugueux laissés par le processus de gravure.

Ils utilisent ensuite des techniques établies pour faire pousser du graphène à partir de carbure de silicium en chassant les atomes de silicium de la surface. Au lieu de produire une couche cohérente de graphène d'un atome d'épaisseur sur la surface de la plaquette, cependant, les chercheurs limitent le temps de chauffe pour que le graphène ne pousse que sur les bords des contours.

Pour faire ça, ils profitent du fait que le graphène croît plus rapidement sur certaines facettes du cristal de carbure de silicium que sur d'autres. La largeur des nanorubans résultants est proportionnelle à la profondeur du contour, fournissant un mécanisme pour contrôler avec précision les nanorubans. Pour former des structures complexes de graphène, plusieurs étapes de gravure peuvent être effectuées pour créer un modèle complexe, de Heer a expliqué.

"En utilisant le carbure de silicium pour fournir le gabarit, nous pouvons faire pousser du graphène exactement dans les tailles et les formes que nous voulons, ", a-t-il déclaré. "La coupe d'étapes de différentes profondeurs nous permet de créer des structures de graphène qui sont interconnectées de la manière que nous voulons qu'elles soient.

Dans des rubans de graphène à l'échelle nanométrique, le confinement quantique fait que le matériau se comporte comme un semi-conducteur adapté à la création de dispositifs électroniques. Mais en rubans d'un micron ou plus large, le matériau agit comme un conducteur. Le contrôle de la profondeur du gabarit en carbure de silicium permet aux chercheurs de créer ces différentes structures simultanément, utilisant le même processus de croissance.

« Un même matériau peut être soit un conducteur soit un semi-conducteur selon sa forme, " a noté de Heer, qui est également membre du corps professoral du Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) soutenu par la National Science Foundation de Georgia Tech. "L'un des principaux avantages de l'électronique au graphène est de fabriquer les fils de l'appareil et les rubans semi-conducteurs à partir du même matériau. C'est important pour éviter la résistance électrique qui s'accumule aux jonctions entre différents matériaux."

Après la formation des nanorubans - qui peuvent être aussi étroits que 40 nanomètres - les chercheurs appliquent un matériau diélectrique et une grille métallique pour construire des transistors à effet de champ. Alors que la fabrication réussie de transistors de haute qualité démontre la viabilité du graphène en tant que matériau électronique, de Heer ne les considère que comme la première étape de ce qui pourrait être fait avec le matériau.

« Quand nous parvenons à bien fabriquer des appareils à l'échelle nanométrique, nous pouvons ensuite passer à la fabrication de structures beaucoup plus petites et plus fines qui iront au-delà des transistors conventionnels pour ouvrir la possibilité à des dispositifs plus sophistiqués qui utilisent les électrons plus comme la lumière que les particules, " a-t-il dit. " Si nous pouvons intégrer les caractéristiques de la mécanique quantique à l'électronique, cela va ouvrir beaucoup de nouvelles possibilités."

De Heer et son équipe de recherche travaillent maintenant à créer des structures plus petites, et d'intégrer les dispositifs au graphène avec du silicium. Les chercheurs travaillent également à améliorer les transistors à effet de champ avec des matériaux diélectriques plus minces.

Finalement, Le graphène peut être à la base d'une génération de dispositifs hautes performances qui tireront parti des propriétés uniques du matériau dans des applications où le coût plus élevé peut être justifié. Le silicium continuera d'être utilisé dans des applications qui n'exigent pas des performances aussi élevées, dit de Heer.

"C'est une autre étape montrant que notre méthode de travail avec du graphène épitaxié sur du carbure de silicium est la bonne approche et celle qui sera probablement utilisée pour fabriquer de l'électronique au graphène, " Il a ajouté. " Il s'agit d'une nouvelle étape importante vers la fabrication de composants électroniques avec du graphène. "