Eenvoudigere grafeenmethode maakt de weg vrij voor een nieuw tijdperk van nano-elektronica

Sinds de ontdekking in 2004 heeft grafeen aandacht gekregen vanwege zijn buitengewone eigenschappen, waaronder de extreem hoge mobiliteit van dragers. De hoge mobiliteit van de drager is echter alleen waargenomen met technieken die complexe en dure fabricagemethoden vereisen. Nu rapporteren onderzoekers van Chalmers over een verrassend hoge ladingsdragermobiliteit van grafeen met behulp van veel goedkopere en eenvoudigere methoden.

“Deze bevinding toont aan dat grafeen dat wordt overgebracht naar goedkope en flexibele substraten nog steeds een compromisloos hoge mobiliteit kan hebben, en het maakt de weg vrij voor een nieuw tijdperk van grafeen-nano-elektronica,” zegt Munis Khan, onderzoeker aan de Chalmers University of Technology.

Grafeen is de één atoom dikke laag koolstofatomen, bekend als ’s werelds dunste materiaal. Het materiaal is een populaire keuze geworden in de halfgeleider-, automobiel- en opto-elektronische industrie vanwege de uitstekende elektrische, chemische en materiaaleigenschappen. Een van die eigenschappen is de extreem hoge vervoerdermobiliteit.

“In de vastestoffysica kenmerkt de mobiliteit van elektronendragers hoe snel een elektron door een metaal of halfgeleider kan bewegen wanneer het door een elektrisch veld wordt getrokken. De hoge elektronenmobiliteit van grafeen wijst op een groot potentieel voor breedbandcommunicatie en hogesnelheidselektronica die werkt met terahertz-schakelsnelheden. Bovendien maken de andere materiaaleigenschappen, zoals hoge chemische stabiliteit, uitstekende transparantie en elektrische gevoeligheid voor biochemicaliën, het een veelbelovend materiaal voor displays, apparaten voor het oogsten van licht en biosensoren,” zegt Munis Khan.

De extreem hoge dragermobiliteit in grafeen wordt echter waargenomen in mechanisch geëxfolieerd grafeen, een proces dat industriële schaalbaarheid mist, of grafeenapparaten die zijn vervaardigd op hexagonaal boornitride. Dergelijke hoge mobiliteiten zijn ook waargenomen door grafeen dat is gegroeid door een proces dat chemische dampafzetting (CVD) wordt genoemd, over te brengen naar heterostructuren met complexe oxiden. Al deze technieken vereisen complexe en dure fabricagemethoden, wat het niet alleen duurder maakt, maar ook de massaproductie van dergelijke apparaten belemmert.

Goedkoper grafeen met hoge vervoersmobiliteit

Nu rapporteren Munis Khan en zijn collega’s over een verrassend hoge ladingsdragermobiliteit van CVD-grafeen, gegroeid op ongepolijste koperfolie en overgebracht naar EVA/PET-lamineerfolie met behulp van een gewone kantoorlamineermachine en nat etsen van koper. De mobiliteit nam tot acht keer toe door de grafeen-op-plastic sandwich een paar uur op 60 ° C te houden.

“Deze bevinding toont aan dat zelfs goedkope en flexibele grafeenapparaten nog steeds een compromisloos hoge mobiliteit kunnen hebben,” zegt Munis Khan. “Ons artikel stelt een eenvoudige methode voor om goedkope grafeenapparaten te fabriceren op flexibele substraten met een hoge dragermobiliteit, waarschijnlijk alleen beperkt door het CVD-proces en de zuiverheid van koper.”

CVD-grafeen dat is overgebracht naar EVA/PET wordt intensief onderzocht en bestudeerd voor flexibele en rekbare elektronica, vooral in vormconforme systemen zoals draagbare apparaten voor het oogsten van energie, elektronische huid en draagbare elektronische apparaten, die een hoge flexibiliteit en rekbaarheid vereisen. Conventionele halfgeleiders missen de superieure mechanische eigenschappen die grafeen bezit, waardoor ze ongeschikt zijn voor dergelijke toepassingen – vaak zijn zeer geleidende flexibele grafeenfilms met een hoge dragermobiliteit vereist.

“Onze waarneming zal inderdaad de reikwijdte van dergelijke flexibele grafeenfilms op dit gebied vergroten. Dit zou ook het nieuwe tijdperk van flexibele elektronica kunnen inluiden. Toepassingen die sterk geleidende dunne films vereisen, kunnen nu worden gerealiseerd door een betaalbare en eenvoudige methode zoals voorgesteld in ons artikel. In onze onderzoeksgroep zijn we inderdaad van plan om dergelijke grafeenfilms te gebruiken voor het maken van extreem gevoelige biosensoren, terahertz-detectoren en hoogfrequente apparaten, toepassingen die ook een hoge draaggolfmobiliteit vereisen. De uitdaging zal zijn om microfabricagetechnieken te integreren om apparaten op flexibele substraten te maken. Zodra dergelijke problemen zijn aangepakt, waarschijnlijk binnen 2-3 jaar, kunnen we dergelijke grafeenfilms gaan gebruiken om apparaten voor industrieel gebruik te fabriceren,” zegt Munis Khan.

Over de ontdekking

Chemische dampafzetting (CVD) van grafeen op commerciële koperfolies (Cu) biedt een schaalbare route naar hoogwaardig enkellaags grafeen. De CVD-methode is gebaseerd op gasvormige reactanten die op een substraat worden afgezet. Het grafeen wordt gekweekt op een metalen oppervlak zoals Cu, Pt of Ir, waarna het kan worden gescheiden van het metaal en overgebracht naar specifiek vereiste substraten. Het proces kan eenvoudig worden uitgelegd als koolstofhoudende gassen die bij hoge temperaturen (900-1100 graden Celsius) reageren in aanwezigheid van een metaalkatalysator, die zowel dient als katalysator voor de afbraak van de koolstofsoorten en als oppervlak voor de nucleatie van het grafeenrooster.

De onderzoekers hebben ontdekt dat CVD-grafeen, eenmaal overgebracht van koper naar EVA/PET (gewone lamineerzak) door laminering met hete pers, aanvankelijk een lage mobiliteit van de drager vertoonde in een bereik van 500-1000 cm²/(Vs). Maar zodra dergelijke films enkele uren op 60 ° C werden bewaard in een constante stroom stikstof, nam de mobiliteit acht keer toe en bereikte 6000-8000 cm²/(V s) bij kamertemperatuur.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nanomaterialen.