Les cristaux de silicium sont les semi-conducteurs les plus couramment utilisés pour fabriquer des transistors, qui sont des composants électroniques critiques utilisés pour effectuer des opérations logiques en informatique. Cependant, à mesure que des processeurs plus rapides et plus puissants sont créés, le silicium a atteint une limite de performance :plus il conduit l'électricité rapidement, plus il fait chaud, entraînant une surchauffe.

Graphène, constitué d'une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur, reste beaucoup plus frais et peut conduire beaucoup plus rapidement, mais il doit être en plus petits morceaux, appelés nanorubans, pour agir comme un semi-conducteur. Malgré de nombreux progrès dans la fabrication et la caractérisation des nanorubans, les transférer proprement sur les surfaces utilisées pour la fabrication de puces a été un défi important.

Une étude récente menée par des chercheurs du Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l'Université de l'Illinois et du Département de chimie de l'Université du Nebraska-Lincoln a démontré la première étape importante vers l'intégration de nanorubans de graphène atomiquement précis (APGNR) sur des substrats non métalliques. . Le papier, "Solution-Synthesed Chevron Graphene Nanoribbons Exfoliated on H:Si (100), " a été publié dans Lettres nano .

Les nanorubans de graphène ne mesurent que quelques nanomètres de diamètre, au-delà des limites de la structuration descendante des puces conventionnelle utilisée dans la fabrication des puces. Par conséquent, lorsqu'il est sculpté à partir de plus gros morceaux de graphène par diverses approches de nanofabrication, Les nanorubans de graphène ne sont ni uniformes ni suffisamment étroits pour présenter les propriétés semi-conductrices souhaitées.

"Quand tu vas de haut en bas, il est très difficile de contrôler la largeur. Il s'avère que si la largeur ne module que d'un atome ou deux, les propriétés changent de manière significative, " a déclaré Adrien Radocea, doctorant au sein du groupe Nanoélectronique et nanomatériaux de Beckman.

Par conséquent, les nanorubans doivent être faits de « de bas en haut, " à partir de molécules plus petites pour créer des nanorubans atomiquement précis avec des propriétés électroniques très uniformes.

"C'est comme des blocs de construction moléculaires :un peu comme assembler des Legos pour construire quelque chose, " dit Radocea. " Ils se verrouillent en place, et vous vous retrouvez avec le contrôle exact de la largeur du ruban."

L'approche "bottom-up" a été montrée pour la première fois pour les nanorubans de graphène par Cai et al. dans un article de Nature de 2010 démontrant la croissance de nanorubans de graphène atomiquement précis sur des substrats métalliques. En 2014, le groupe de recherche d'Alexander Sinitskii à l'Université du Nebraska-Lincoln a développé une approche alternative pour fabriquer des nanorubans de graphène atomiquement précis en solution.

« La synthèse précédemment démontrée sur des substrats métalliques donne des nanorubans de graphène de très haute qualité, mais leur nombre est assez petit, comme la croissance qu'il a limitée à la surface du métal précieux, " dit Sinitskii, professeur agrégé de chimie à l'Université du Nebraska-Lincoln et auteur de l'étude. « Il est difficile d'étendre cette synthèse. En revanche, lorsque des nanorubans sont synthétisés dans l'environnement de solution tridimensionnel sans restriction, ils peuvent être produits en grande quantité.

La difficulté de transférer proprement les nanorubans provient de la grande sensibilité aux contaminants environnementaux. Les nanorubans synthétisés en solution et cultivés en surface sont exposés à des produits chimiques pendant le processus de transfert qui peuvent affecter les performances des dispositifs à nanoruban en graphène. Pour surmonter ce défi, l'équipe interdisciplinaire a utilisé un transfert à sec dans un environnement à ultra-vide.

Un applicateur en fibre de verre recouvert de poudre de nanoruban de graphène a été chauffé pour éliminer les contaminants et les résidus de solvant, puis pressé sur une surface de silicium fraîchement préparée et passivée à l'hydrogène. Les nanorubans ont été étudiés en détail avec un microscope à effet tunnel à ultra-vide développé par Joseph Lyding, professeur de génie électrique et informatique à l'Illinois et auteur de l'étude. Les chercheurs ont obtenu des images à l'échelle atomique et des mesures électroniques des nanorubans de graphène qui étaient essentielles pour confirmer leurs propriétés électroniques et comprendre l'influence du substrat.

Expertise informatique disponible chez Beckman, Radocea a expliqué, a contribué à la compréhension des résultats expérimentaux. "Je collectais toujours plus de données en essayant de comprendre ce qui se passait. Une fois que les résultats de la modélisation sont arrivés et que nous avons commencé à regarder les données différemment, tout avait du sens."

Membres du groupe Computational Multiscale Nanosystems de Beckman, Soleil Tao, un doctorant, et Narayana Aluru, professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie, a fourni une expertise en modélisation informatique via la théorie de la fonctionnelle de la densité pour étudier les propriétés des nanorubans.

"Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité ont permis de mieux comprendre les propriétés électroniques du système intégré et les interactions entre les nanorubans de graphène et le substrat de silicium, ", a déclaré Sun. "C'était passionnant que les résultats informatiques puissent aider à expliquer et à confirmer les résultats expérimentaux et fournir une histoire cohérente."

"Les nanorubans de graphène de précision atomique (APGNR) sont des candidats sérieux pour l'ère post-silicium lorsque la mise à l'échelle conventionnelle des transistors en silicium échoue, " a déclaré Lyding. "Cela démontre la première étape importante vers l'intégration des APGNR avec des substrats de silicium technologiquement pertinents."

"Je trouve le projet très excitant parce que vous construisez des choses avec un contrôle de niveau atomique, donc vous essayez de mettre chaque atome exactement où vous voulez qu'il aille, " a déclaré Radocea. " Il n'y a pas beaucoup de matériaux là-bas où vous pouvez dire que vous avez cette capacité. Les nanorubans sont passionnants car il y a un vrai besoin et une vraie application."