El grafeno, un material de espesor atómico con propiedades extraordinarias, es un candidato prometedor para la próxima generación de productos electrónicos mucho más rápidos y energéticamente eficientes. Sin embargo, los científicos han luchado para fabricar el material en tiras ultra estrechas, llamadas nanoribones, quepodría permitir el uso de grafeno en la electrónica de semiconductores de alto rendimiento.
Ahora, los ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han descubierto una forma de cultivar nanoribones de grafeno con propiedades semiconductoras deseables directamente en una oblea de semiconductores de germanio convencional. Este avance podría permitir a los fabricantes usar fácilmente nanoribones de grafeno en circuitos híbridos integrados, que prometen aumentar significativamenteel rendimiento de los dispositivos electrónicos de próxima generación. La tecnología también podría tener usos específicos en aplicaciones industriales y militares, como sensores que detectan especies químicas y biológicas específicas y dispositivos fotónicos que manipulan la luz.
en un artículo publicado el 10 de agosto en la revista Comunicaciones de la naturaleza , Michael Arnold, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en UW-Madison, estudiante de doctorado Robert Jacobberger, y sus colaboradores describen su nuevo enfoque para producir nanoribones de grafeno. Es importante destacar que su técnica se puede escalar fácilmente para la producción en masay es compatible con la infraestructura predominante utilizada en el procesamiento de semiconductores.
"Los nanoribones de grafeno que se pueden cultivar directamente en la superficie de un semiconductor como el germanio son más compatibles con el procesamiento plano que se utiliza en la industria de los semiconductores, por lo que habría menos barrera para integrar estos materiales realmente excelentes en la electrónica en elfuturo ", dice Arnold.
El grafeno, una lámina de átomos de carbono que tiene solo un átomo de grosor, conduce la electricidad y disipa el calor de manera mucho más eficiente que el silicio, el material más comúnmente encontrado en los chips de computadora de hoy en día. Pero para explotar las notables propiedades electrónicas del grafeno en aplicaciones de semiconductores dondedeben encenderse y apagarse, los nanofibras de grafeno deben tener menos de 10 nanómetros de ancho, lo cual es fenomenalmente estrecho. Además, los nanoribones deben tener bordes de "sillón" suaves y bien definidos en los que los enlaces carbono-carbono sean paralelos allongitud de la cinta.
Los investigadores típicamente han fabricado nanoribones mediante el uso de técnicas litográficas para cortar láminas de grafeno más grandes en cintas. Sin embargo, este enfoque de fabricación "de arriba hacia abajo" carece de precisión y produce nanoribones con bordes muy ásperos.
Otra estrategia para hacer nanoribones es utilizar un enfoque "de abajo hacia arriba", como la síntesis orgánica asistida por superficie, donde los precursores moleculares reaccionan en una superficie para polimerizar nanoribones. Arnold dice que la síntesis asistida por superficie puede producir hermosos nanoribones con precisión y suavidadbordes, pero este método solo funciona en sustratos metálicos y, por lo tanto, los nanoribones resultantes son demasiado cortos para su uso en electrónica.
Para superar estos obstáculos, los investigadores de UW-Madison fueron pioneros en una técnica ascendente en la que cultivan nanoribones ultra estrechos con bordes lisos y rectos directamente en obleas de germanio utilizando un proceso llamado deposición química de vapor. En este proceso, los investigadores comienzancon metano, que se adsorbe a la superficie de germanio y se descompone para formar varios hidrocarburos. Estos hidrocarburos reaccionan entre sí en la superficie, donde forman grafeno.
El equipo de Arnold hizo su descubrimiento cuando exploró drásticamente la tasa de crecimiento de los cristales de grafeno al disminuir la cantidad de metano en la cámara de deposición de vapor químico. Descubrieron que a una tasa de crecimiento muy lenta, los cristales de grafeno crecen naturalmente en nanoribones largosen una faceta específica de cristal de germanio. Simplemente controlando la tasa de crecimiento y el tiempo de crecimiento, los investigadores pueden ajustar fácilmente el ancho del nanoribón a menos de 10 nanómetros.
"Lo que hemos descubierto es que cuando el grafeno crece en germanio, naturalmente forma nanoribones con estos bordes de sillón muy lisos", dice Arnold. "Los anchos pueden ser muy, muy estrechos y las longitudes de las cintas pueden ser muydurante mucho tiempo, por lo que todas las características deseables que queremos en los nanofibras de grafeno están sucediendo automáticamente con esta técnica ".
Los nanoribones producidos con esta técnica comienzan a nuclearse, o crecer, en puntos aparentemente aleatorios en el germanio y están orientados en dos direcciones diferentes en la superficie. Arnold dice que el trabajo futuro del equipo incluirá controlar dónde comienzan a crecer los listones y alinearlos a todosen la misma dirección.
Los investigadores están patentando su tecnología a través de la Wisconsin Alumni Research Foundation. La investigación fue apoyada principalmente por el programa de Ciencias Básicas de Energía del Departamento de Energía.
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Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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