Les chercheurs ont développé une méthode de « câblage » de nanorubans de graphène (GNR), une classe de matériaux unidimensionnels présentant un intérêt pour la mise à l'échelle des dispositifs microélectroniques. À l'aide d'un processus basé sur la microscopie à effet tunnel (STM) à écriture directe, les contacts métalliques à l'échelle nanométrique ont été fabriqués sur des GNR individuels et ont pu contrôler le caractère électronique des GNR.
Les chercheurs affirment qu'il s'agit de la première démonstration de la création de contacts métalliques avec des GNR spécifiques avec certitude et que ces contacts induisent la fonctionnalité du dispositif nécessaire au fonctionnement du transistor.
Les résultats de cette recherche, dirigée par Joseph Lyding, professeur de génie électrique et informatique (ECE), ainsi que par Pin-Chiao Huang, étudiant diplômé en ECE, et Hongye Sun, étudiant diplômé en science et génie des matériaux, ont été récemment publiés dans la revue ACS Nano<. /je> .
"Le graphène existe depuis un certain temps et on le considère comme quelque chose qui pourrait potentiellement être un matériau électronique à grande vitesse, peut-être même remplacer le silicium", explique Lyding. "Mais le problème avec le graphène lui-même est qu'il n'est pas un semi-conducteur."
Le graphène est une couche d’atomes de carbone d’une épaisseur d’un atome et, bien qu’il s’agisse du matériau connu le plus fin, il est également incroyablement résistant. Les propriétés des semi-conducteurs peuvent être induites dans le graphène en le rendant très petit ou en le fabriquant sous des formes spécifiques, comme des rubans. Pour ce projet, des GNR atomiquement précis ont été synthétisés par le co-auteur Alexander Sinitskii et son groupe de l'Université du Nebraska.
Le processus de fabrication d'un transistor à partir des GNR comprend leur placement sur un substrat de silicium, la connexion des fils et le passage du courant dans les fils pour mesurer les propriétés du transistor. L’équipe a franchi l’étape cruciale consistant à prendre les GNR, dont le diamètre est plus étroit qu’une molécule d’ADN, et à les câbler. Ils ont développé une technique où les fils ne mesurent également que quelques nanomètres de large.
D'autres chercheurs ont travaillé sur ce problème en plaçant de nombreux GNR sur une surface de silicium et en posant des électrodes géantes en espérant le meilleur. Cette méthode introduit cependant beaucoup d’incertitudes. Lyding et ses étudiants ont utilisé une méthode plus précise pour câbler les GNR. Ils ont utilisé un microscope à effet tunnel (un outil d'imagerie à résolution atomique) pour scanner la surface à la recherche d'un GNR à utiliser.
En STM, une pointe pointue est rapprochée d’une surface (de l’ordre du nanomètre) et balayée sur la surface. Il y a un flux de courant entre la pointe et la surface, et lorsque la pointe rencontre des atomes à la surface, comme si on passait sur un ralentisseur, ce flux de courant est modulé. Cela permet la détection et l'imagerie des GNR.
Une fois qu'ils ont trouvé un GNR, ils utilisent le faisceau d'électrons du STM pour déclencher le dépôt de métal à partir de molécules précurseurs de diborure d'hafnium afin de créer les fils. Le co-auteur Gregory Girolami et son groupe du département de chimie de l'UIUC ont synthétisé le précurseur de ce processus, appelé écriture directe STM. "Notre méthode de câblage est très précise. Lorsque nous voyons un GNR, nous pouvons simplement définir le motif que nous voulons, puis nous le connecterons. Il ne s'agit pas simplement de lancer aveuglément des électrodes sur la surface", explique Huang.
Un autre avantage de cette méthode est qu’elle est réalisée sous ultra-vide (UHV). Cela garantit que le matériau reste propre de l'eau atmosphérique et des autres « déchets » qui dégradent les performances de l'appareil.
Les chercheurs ont également étudié le caractère électronique des GNR et ont découvert qu'il était modifié par la mise en place de contacts métalliques. Le « dopage » d'un semi-conducteur est l'introduction intentionnelle d'impuretés pour modifier ses propriétés électroniques.
Sun explique :« Une façon de doper les GNR est d'utiliser différentes réactions chimiques pour modifier les propriétés du GNR. Mais ce processus est difficile. Nous le faisons en déposant du métal. Et nous pouvons réellement choisir le type de métal que nous voulons. mettre les GNR qui pourraient également ajuster les caractéristiques du GNR. C'est une façon essentiellement de doper nos GNR, sans réellement utiliser de dopants. "
Lyding déclare :« La prochaine étape, sur laquelle nous travaillons actuellement, consiste à fabriquer un vrai transistor et à mesurer réellement les caractéristiques du transistor. Mais nous savons que nous pouvons réaliser ce processus impeccable, en utilisant l'ultra-vide, pour fabriquer les électrodes. qui sont absolument nécessaires au fonctionnement de l'appareil."
Plus d'informations : Pin-Chiao Huang et al, Contacts inférieurs à 5 nm et formation de jonctions p-n induites dans des nanorubans de graphène individuels atomiquement précis, ACS Nano (2023). DOI :10.1021/acsnano.3c02794
Informations sur le journal : ACS Nano
Fourni par le Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois
