Grafeen on materjal, mis võib lahendada üha kiirema ning väiksema elektroonika nõudluse, milles ränitehnoloogia oma fundamentaalseid piire kompab. Grafeen on planaarne materjal, mis koosneb heksagonaalselt organiseeritud süsiniku aatomitest. Materjali intensiivse uurimise taga on materjali oluliselt huvi pakkuvad elektroonilised omadused, näiteks on grafeentransistori teoreetiline lülituskiiruse piir ränist 100 korda kiirem. Grafeenkiipide valmistamine on aga osutunud keerukaks protsessiks.
Probleemi vastus võib seisneda üliõhukestel eksootilistel 2D nanoskaala kilesüsteemidel ja materjalidel. Nendel süsteemidel on mikroelektroonikas oluline tähendus, sest rakendusspekter hõlmab muuhulgas ülitundlikke andureid, katalüüsiprotsesse, koematkete valmistamist ja energiatalletust. Ameerika Penni Osariigi Ülikooli teadlased on uurinud grafeeni ja boornitriidi 2D süsteemi, mis on võimaldanud luua tranisistore, mille jõudlus on võrreldav masstoodetavate transistoridega.
„Teised teadusrühmad on näidanud, et boornitriidile sadestatud grafeen parandab seadme jõudlust kaks kuni kolm korda. Seda aga viisil, mida ei ole võimalik skaleerida. Suutsime selle materjalikombinatsiooni teha tööstuses kasutatavate ränisubstraatide mõõdus,“ ütles Joshua Robinson, kes on Penni Ülikooli materjaliteaduse dotsent ja teadustööd veebiajakirjas ACS Nano kajastanud artikli üks autoritest.
Artikkel kirjeldab paariaatomilise paksusega grafeenikihi ning heksagonaalse struktuuriga paari- kuni sajaaatomise paksusega boornitriidi (hBN) kihi omavahelist lamineerimist. Tekkinud kakskiht komposiit on esimeseks sammuks funktsionaalse grafeen-väljatransistori valmistamisel, mida saaks kasutada kõrgsageduslikus elektroonikas ning optoelektroonilistes seadmetes.
Boori ja lämmastiku sünteetiline segu, heksagonaalne boornitriid, on suhteliselt laialtlevinud. Seda kasutatakse näiteks tööstusliku lubrikandina, aga ka kosmeetikas. Eelnev teadustöö on näidanud, et hBN on potentsiaalne aseaine ränioksiidile ning teistele kõrgtehnoloogilistes seadmetes kasutatavatele dielektrikutele, mis ei ole seni suutnud grafeeniga piisaval määral nakkuda. Boor asetseb perioodilisustabelis süsiniku kõrval, lisaks on heksagonaalsel boornitriidil grafeenile sarnane aatomstruktuur, aga ka sarnased elektrilised omadused. Ent akadeemilisest laiema huvi äratamiseks oli vajalik hBN ja grafeeni kaksikkihi kasvatamine tööstusliku ränisubstraaditahvli suuruseks, mis on 75 – 300 mm lai.
Penni Ülikooli teadusrühm lahendas probleemi tehnika abil, mille nad enne oma laboris kõrgekvaliteetsete epitaksia-eesmärgilise grafeeni tootmiseks välja töötasid. Kõrgsageduslikus elektroonikas kasutatav grafeen valmis vesiniku aatomite kinnitamisega grafeeni külge, mis „inaktiveeriksid tolknevaid sidemeid,“ mis efektiivselt lamendas ning tasandas grafeenikile. Heksagonaalne boornitriid kasvatati siirdemetall-substraadile tööstustandardse aurufaas-sadestamise meetodil. hBN vabastati substraadilt erinevate siirdeprotsesside abil ning kihistati 75 mm laiusele grafeensubstraadile, mis moodustas esimese tööstusstandarditele vastava hBN ning epitaksia-grafeeni komposiidi.
Eelnenud epitaksia-grafeeniga tööde baasil, mis oli varemalt juba transistoride tööjõudlust kaks kuni kolm korda paradnanud, parandab uus saavutus transistoride tööjõudlust veelgi kaks kuni kolm korda. Areng näitab Robinsoni sõnul grafeeni elektroonikasse integreerimise tugevat potentsiaali. Lähitulevikus kavatseb Penni Ülikooli töörühm esitleda grafeenipõhiseid integreeritud elektroonikalülitusi ning kõrgtehnoloogilisi seadmeid, mida saab toota tööstuses kasutatava 100 mm substraadi baasil.
„Kasutame litograafiameetodit, mis on nanotööstuses oluline standardmeetod,“ lisas Robinson. Selleks, et uutel innovaatilistel materjalidel õnnestuks tööstuse ukse vahel kanda kinnitada, tuleb need mugandada kehtivate standarditega, võimaldades samaaegselt olulist tööjõudluse kasvu.
Boornitriid-grafeen on üks mitmetest esilekerkivatest kakskiht komposiitmaterjalidest, mille nanoskaala omadusi alles avastatakse. Dimensionaalsus on grafeeni avastajate Nobeli laureaatide Novoselovi ja Geimi kohaselt olulisim materjali omadus, mis võib otsustavalt määrata uute tulemuste ja avastuste otsinguid, olgu siis materjal teoreetiliselt kas 0D, 1D, 2D või 3D. Penni Osariigi Ülikool on selle materjaliteaduse haru üks pioneere.
Allikas: PhysOrg
Leave a Reply