(PhysOrg.com) -- Des chercheurs en nanotechnologie du Georgia Institute of Technology ont mené la première comparaison directe de deux techniques fondamentales qui pourraient être utilisées pour doper chimiquement des feuilles de graphène bidimensionnel pour la fabrication de dispositifs et d'interconnexions.

Le dopage chimique est couramment utilisé dans les semi-conducteurs tridimensionnels conventionnels pour contrôler la densité des porteurs d'électrons qui sont essentiels au fonctionnement de dispositifs tels que les transistors. Mais le graphène, un semi-métal disponible en feuilles d'un seul atome d'épaisseur, a des propriétés très différentes des matériaux traditionnels tels que le silicium, bien que les chercheurs disent que le dopage sera toujours nécessaire pour produire des appareils électroniques.

La mauvaise nouvelle est que les concepteurs électroniques travaillant avec le graphène ne pourront pas simplement appliquer ce qu'ils ont fait avec les semi-conducteurs tridimensionnels, ce qui se traduirait par une qualité matérielle considérablement dégradée pour le graphène. La bonne nouvelle, selon l'étude, est que le dopage au graphène peut être combiné avec d'autres processus et ne doit être appliqué qu'aux bords des structures nanométriques en cours de fabrication.

"Nous apprenons à manipuler ces feuilles bidimensionnelles d'atomes de carbone pour obtenir des résultats très inhabituels qui ne sont disponibles avec aucun autre matériau, " a déclaré James Meindl, directeur du centre de recherche en nanotechnologie de Georgia Tech, où la recherche a été menée. "Doper le graphène pour essayer d'influencer ses propriétés est important pour pouvoir l'utiliser efficacement."

Les détails de la recherche ont été publiés en ligne dans la revue Carbone le 29 octobre. La recherche a été soutenue par la Semiconductor Research Corporation (SRC), la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) à travers l’Interconnect Focus Center, et la National Science Foundation (NSF).

Parce que les feuilles de graphène contiennent si peu d'atomes par zone, la substitution d'éléments tels que l'oxygène ou l'azote aux atomes de carbone dans le réseau - comme dans le dopage conventionnel - nuit à la mobilité élevée des électrons et à d'autres propriétés qui rendent le matériau intéressant. Les chercheurs repensent donc le processus de dopage pour tirer parti des propriétés uniques du graphène.

"Lorsque nous travaillons avec un semi-conducteur tridimensionnel, nous intégrons l'espèce dopante dans le matériau en vrac, puis le fabriquons dans un dispositif, ", a déclaré Kevin Brenner, assistant de recherche diplômé à la Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering. « Avec le graphène, nous allons doper le matériau au fur et à mesure que nous le traiterons et le fabriquerons en dispositifs ou en interconnexions. Le dopage peut être fait dans le cadre d'autres étapes de fabrication telles que la gravure au plasma, et cela nous obligera à réinventer l'ensemble du processus.

À l'aide de feuilles de graphène exfolié, Brenner et ses collaborateurs Raghu Murali et Yinxiao Yang ont évalué l'efficacité de deux techniques différentes :la passivation des bords en couplant la lithographie par faisceau d'électrons avec un matériau de réserve commun, et l'adsorption provenant du revêtement de la surface du matériau. Ils ont constaté que le traitement de bord, qui réagit chimiquement avec les défauts créés lors de la découpe du matériau, était mille fois plus efficace pour produire des supports dans les feuilles de graphène que le traitement de surface.

"Nous ne travaillerons qu'avec les bords de la matière, », a expliqué Brenner. « Cela nous permettra de laisser le centre vierge et exempt de défauts. En utilisant cette approche, nous pouvons maintenir des mobilités très élevées et les propriétés spéciales du graphène tout en créant des densités de porteurs très élevées.

En raison de la nature bidimensionnelle du graphène, le contrôle de la chimie des bords peut permettre de contrôler les propriétés en vrac de la feuille. « Aux dimensions nanométriques, les atomes de bord ont tendance à dominer les techniques d'absorption de surface, », a-t-il ajouté. "Avec un dispositif au graphène de sept nanomètres sur sept nanomètres, la passivation d'un seul atome de C de bord fournit l'équivalent dopant de couvrir toute la surface.

Pour doper le bord d'une structure de graphène, l'équipe a appliqué un film mince d'hydrogénosilsesquioxane (HSQ), un produit chimique normalement utilisé comme réserve pour la gravure, puis utilisé la lithographie par faisceau d'électrons pour réticuler le matériau, qui a ajouté des atomes d'oxygène aux bords pour créer un dopage de type p. La résistance et le système de faisceau d'électrons se sont combinés pour fournir un contrôle à l'échelle nanométrique sur l'endroit où les changements chimiques ont eu lieu.

Un traitement antidopage pourrait également être appliqué par gravure plasma, dit Brenner. Contrôler les atomes spécifiques utilisés dans le plasma, ou conduire le processus de gravure dans un environnement contenant des atomes spécifiques, pourraient conduire ces atomes dans les bords où ils serviraient de dopants.

"Chaque fois que vous créez un avantage, vous avez créé un emplacement où vous pouvez passiver à l'aide d'un dopant, », a-t-il ajouté. "Au lieu d'avoir besoin de l'intégrer dans la surface, vous pouvez simplement prendre le bord qui est déjà là et le passiver avec de l'oxygène, azote, hydrogène ou autre dopant. Cela pourrait être un processus presque sans effort car le dopage peut être effectué dans le cadre d'une autre étape. »

Au-delà de la fabrication d'appareils électroniques, Les scientifiques du Centre de recherche en nanotechnologie s'intéressent à l'utilisation du graphène pour les interconnexions, potentiellement en remplacement du cuivre. À mesure que les structures d'interconnexion deviennent de plus en plus petites, la résistivité du cuivre augmente. Les feuilles de graphène dopées sur les bords présentent une tendance à l'augmentation du dopage avec des dimensions réduites, devenir éventuellement plus conducteur lorsque leur taille diminue en dessous de 50 nanomètres, les rendant attrayantes pour les interconnexions à l'échelle nanométrique.

Armé d'informations de base sur le dopage au graphène, les chercheurs espèrent maintenant commencer à produire des appareils pour étudier les performances réelles du graphène.

"Maintenant que nous avons commencé à comprendre comment doper le matériau, la prochaine étape consiste à commencer à intégrer cela dans des dispositifs à l'échelle nanométrique, ", a déclaré Brenner. « Nous voulons voir quel genre de performance nous pouvons obtenir. Cela peut nous dire où se situe le créneau du graphène en tant que matériau électronique. »

Meindl, qui travaille le silicium depuis l'aube des circuits intégrés, dit qu'il est trop tôt pour prédire où le graphène trouvera finalement des applications commerciales. Mais il dit que les propriétés du matériau sont trop intéressantes pour ne pas être explorées.

"Il y a de fortes chances que quelque chose de très intéressant et unique se développe à partir de l'utilisation du graphène, " a-t-il dit. "Mais nous n'avons pas encore la capacité de prédire ce que nous pourrons faire avec ce nouveau matériau."