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Schreiben von Schaltkreisen auf Graphen
Mit einer beheizten Spitze eines Rasterkraftmikroskops haben Forscher nanoskalige leitfähige Muster auf isolierendem Graphenoxid gezeichnet. Dieser einfache Trick zur Kontrolle der Leitfähigkeit von Graphenoxid könnte den Weg für das Ätzen elektronischer Schaltkreise in das Kohlenstoffmaterial ebnen, ein wichtiger Fortschritt in Richtung schneller, energiesparender und potenziell billigerer Computerprozessoren.
Heißer Draht: Eine auf über 150 °C erhitzte AFM-Spitze kann eine isolierende Graphenoxidoberfläche ätzen, um dünne leitfähige Nanodrähte zu erzeugen.
Graphen, eine atomdicke Kohlenstoffschicht, ist ein vielversprechender Ersatz für Silizium in elektronischen Schaltungen, da es Elektronen viel schneller transportiert. IBM-Forscher haben bereits Transistoren, die Bausteine elektronischer Schaltungen, mit Graphen hergestellt, die zehnmal schneller arbeiten als ihre Silizium-Pendants. Um diese Transistoren herzustellen, müssen die Forscher jedoch zunächst die elektronischen Eigenschaften des Graphens verändern, indem sie ihn in dünne Bänder schneiden, die dann in Geräte eingebaut werden. Forscher haben diese Nanobänder mit Lithographie, mit chemischen lösungsbasierten Verfahren oder durch Entpacken von Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt.
Im neuen Wissenschaft schreiben Forscher des Georgia Institute of Technology und des U.S. Naval Research Laboratory solche Nanobänder stattdessen auf eine Oberfläche, anstatt Graphen zu schneiden. Die Forscher beginnen mit einer Graphenoxidschicht, die keinen elektrischen Strom leitet. Wenn sie eine auf 150 °C bis 1060 °C erhitzte AFM-Spitze über das Blech ziehen, werden Sauerstoffatome an den Stellen, die die Spitze berührt, freigesetzt. Dies hinterlässt Linien aus fast reinem Graphen, die 10.000-mal leitfähiger sind als das umgebende Graphenoxid.
Es ist eine schnelle, reproduzierbare Technik, es ist ein Schritt, es ist einfach, sagt Paul Sheehan, der die Arbeit am Marineforschungslabor . Anstatt Resist abzulegen und zu versuchen, Graphen auf verschiedene Weise zu schneiden, können Sie lokale Wärme verwenden und die Linien genau dort schreiben, wo Sie sie haben möchten. Sheehan sagt, dass eine Reihe von Tausenden von AFM-Spitzen gleichzeitig Schaltkreise auf Graphenoxid skizzieren könnten.
Lithografische Methoden zur Herstellung von Nanobändern sind umständlich und teuer, sagt Jing Guo , Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of Florida in Gainesville. Diese Methoden können auch Bänder mit rauen Kanten erzeugen, die die elektronischen Eigenschaften von Graphen beeinflussen und zu Transistoren von geringer Qualität führen. Dies ist ein neuer Weg, um [Nanobänder herzustellen], der sehr einfach und zuverlässig und potenziell skalierbar ist, sagt er. Sie haben im Grunde ein Papier und nehmen einen Bleistift, um es zu kratzen, und Sie haben eine sehr schmale Linie.
Die Forscher schrieben Linien mit einer Breite von bis zu 12 Nanometern und mit Geschwindigkeiten von bis zu 0,1 Millimetern pro Sekunde. Die Schreibgeschwindigkeit nahm mit der Temperatur zu. Es ist spannend zu sehen, dass diese Umwandlung auf der Nanoskala durchgeführt und kontrolliert werden kann, sagt Yu-Ming Lin , ein Forscher in einer Nano-Wissenschafts- und Technologiegruppe am Watson Research Center von IBM in Yorktown Heights, NY. Dies ist ein wichtiger Schritt für die Graphen-basierte [Elektronik].
Es ist einfacher und billiger, mit Graphenoxidschichten als mit Graphen zu beginnen, sagt Elisa Riedo , einem Physikprofessor an der Georgia Tech, der die Arbeit mit Sheehan leitete. Unberührte Graphenschichten werden typischerweise durch mechanisches Trennen von Graphitflocken oder durch Wachsen von Graphen auf zwei Zoll großen Siliziumkarbid-Wafern erhalten. Graphenoxid war im Vergleich zu Graphen auf großen Flächen billiger herzustellen, sagt Riedo. Es ist ein anderer Weg, um zu Graphen zu gelangen.
Die Forscher planen, mit ihrer Technik Transistoren herzustellen, aber sie benötigen möglicherweise zuerst eine zusätzliche Verarbeitung, sagt Yanwu Zhu , einem Graphenforscher an der University of Texas in Austin. Zum einen müssen sie einen Weg finden, Graphenoxid-Reste von den leitfähigen Bändern zu entfernen.