Des scientifiques du Georgia Institute of Technology ont pour la première fois fourni des détails sur leur technique de « sublimation contrôlée par confinement » pour la croissance de couches de graphène épitaxié de haute qualité sur des plaquettes de carbure de silicium. La technique repose sur le contrôle de la pression de vapeur du silicium en phase gazeuse dans le four à haute température utilisé pour la fabrication du matériau.

Le principe de base de la croissance de fines couches de graphène sur du carbure de silicium nécessite de chauffer le matériau à environ 1, 500 degrés Celsius sous vide poussé. La chaleur chasse le silicium, laissant une ou plusieurs couches de graphène. Mais l'évaporation incontrôlée du silicium peut produire des matériaux de mauvaise qualité inutiles aux concepteurs d'appareils électroniques.

"Pour cultiver du graphène de haute qualité sur du carbure de silicium, contrôler l'évaporation du silicium à la bonne température est essentiel, " dit Walt de Heer, un professeur qui a été le pionnier de la technique à la Georgia Tech School of Physics. "En contrôlant précisément la vitesse à laquelle le silicium se détache de la plaquette, nous pouvons contrôler la vitesse à laquelle le graphène est produit. Cela nous permet de produire de très belles couches de graphène épitaxié."

De Heer et son équipe commencent par placer une plaquette de carbure de silicium dans une enceinte en graphite. Un petit trou dans le conteneur contrôle l'échappement des atomes de silicium lorsque la plaquette d'un centimètre carré est chauffée, maintenir le taux d'évaporation et de condensation du silicium près de son équilibre thermique. La croissance du graphène épitaxié peut se faire sous vide ou en présence d'un gaz inerte tel que l'argon, et peut être utilisé pour produire à la fois des couches simples et des couches multiples du matériau.

« Cette technique semble tout à fait conforme à ce que les gens pourraient faire un jour dans les usines de fabrication, " a déclaré de Heer. " Nous pensons que cela est assez important pour nous permettre de faire croître de manière rationnelle et reproductible du graphène sur du carbure de silicium. Nous sentons que nous comprenons maintenant le processus, et je pense qu'il pourrait être étendu à la fabrication de produits électroniques."

La technique de croissance de couches étendues de graphène épitaxié a été décrite cette semaine dans la première édition de la revue Actes de l'Académie nationale des sciences . La recherche a été soutenue par la National Science Foundation par le biais du Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), le Bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air, et le W.M. Fondation Keck.

L'article décrit également une technique de croissance de rubans de graphène étroits, un processus que le groupe de Heer a appelé « croissance modèle ». Cette technique, ce qui pourrait être utile pour faire des interconnexions en graphène, a été décrite pour la première fois en octobre 2010 dans la revue Nature Nanotechnologie .

La technique de croissance par modèle consiste à graver des motifs dans des surfaces de carbure de silicium à l'aide de procédés de nanolithographie conventionnels. Les motifs servent de modèles dirigeant la croissance des structures de graphène sur des parties des surfaces à motifs. La technique forme des nanorubans de largeurs spécifiques sans l'utilisation de faisceaux d'électrons ou d'autres techniques de découpe destructives. Les nanorubans de graphène produits avec ces modèles ont des bords lisses qui évitent les problèmes de diffusion des électrons.

Ensemble, les deux techniques offrent aux chercheurs la flexibilité de produire du graphène sous des formes adaptées à différents besoins, de Heer a noté. Des feuilles de graphène de grande surface peuvent être cultivées à la fois sur les côtés à terminaison carbone et à terminaison silicium d'une plaquette de carbure de silicium, tandis que les rubans étroits peuvent être développés sur le côté à terminaison silicium. En raison des différentes techniques de traitement, un seul côté d'une plaquette particulière peut être utilisé.

L'équipe de recherche de Georgia Tech - qui comprend Claire Berger, Ming Ruan, Mike Saupoudrer, Xuebin Li, Aïe Hu, Baiqian Zhang, John Hankinson et Edward Conrad - ont jusqu'à présent fabriqué des structures aussi étroites que 10 nanomètres en utilisant la technique de croissance par modèle. Ces nanofils présentent des propriétés de transport quantique intéressantes.

"Nous pouvons faire de très bons fils quantiques en utilisant la technique de croissance par modèle, " a déclaré de Heer. " Nous pouvons fabriquer de grandes structures et des dispositifs qui démontrent l'effet Hall quantique, ce qui est important pour de nombreuses applications. Nous avons démontré que la croissance modélisée peut aller jusqu'à l'échelle nanométrique, et que les propriétés y sont encore meilleures."

Le développement de la technique de sublimation est né des efforts visant à protéger le graphène en croissance de l'oxygène et d'autres contaminants dans le four. Pour répondre aux préoccupations de qualité, l'équipe de recherche a essayé d'enfermer la plaquette dans un conteneur en graphite à partir duquel du gaz de silicium a pu s'échapper.

"Nous avons vite réalisé que le graphène cultivé dans le conteneur était bien meilleur que ce que nous produisions, " se souvient de Heer. " A l'origine, nous pensions que c'était parce que nous le protégions des contaminants. Plus tard, nous avons réalisé que c'était parce que nous contrôlions l'évaporation du silicium."

Le graphène épitaxié peut être la base d'une nouvelle génération de dispositifs hautes performances qui tireront parti des propriétés uniques du matériau dans des applications où des coûts plus élevés peuvent être justifiés. Silicium, le matériel électronique de choix d'aujourd'hui, continuera à être utilisé dans les applications où des performances élevées ne sont pas requises, dit de Heer.

Bien que les chercheurs aient encore du mal à concevoir des dispositifs de graphène épitaxié à l'échelle nanométrique qui tirent parti des propriétés uniques du matériau, de Heer est convaincu que ce sera finalement fait.

"Ces techniques nous permettent de fabriquer des nanostructures précises et semblent très prometteuses pour fabriquer les dispositifs nanométriques dont nous avons besoin, " a-t-il dit. " Bien qu'il y ait de sérieux défis à relever pour l'utilisation du graphène dans l'électronique, nous avons déjà surmonté des barrages routiers."