Grafene stelt precieze nanomateriaalplaatsing toe voor industriële schaal integratie

Nanomaterialen bieden ongekende optische en elektrische eigenschappen en beloven bottom-up integratie in de mainstream halfgeleiderfabricage. Toch blijft precieze, contaminatievrije depositie op aangewezen chip-locaties een uitdaging. Grafene – uitzonderlijk dun, robuust, flexibel en hoog geleidend – biedt een transformatieve oplossing.

Bij IBM Research-Brazilië's Industrial Technology and Science groep ontwikkelen, passen en schalen wij nanomaterialen – deeltjes een miljoenste millimeter – voor massaproductie. Drie decennia geleden was het observeren en manipuleren van enkelvoudige atomen onmogelijk; moderne technieken staan ons nu toe nanoschaalgedrag te onderzoeken en modelleren.

In ons nieuwe paper, "Graphene‑enabled and directed nanomaterial placement from solution for large‑scale device integration", gepubliceerd in Nature Communications, bewijzen we met academische medewerkers voor het eerst dat het mogelijk is om grafene te elektrificeren zodat het materiaal op elke gewenste locatie op een vast substraat deposeert met een bijna perfecte opbrengst van 97%.

Het gebruik van grafene op deze manier maakt wafer-schaal nanomateriaalintegratie met nanometerprecisie mogelijk. Niet alleen kunnen we materiaal op een specifieke nanoschaallocatie depositie, we toonden ook aan dat dit parallel kan gebeuren over meerdere sites – wat massaschaalintegratie mogelijk maakt. Dit werk is gepatenteerd (US9412815B2).

Artistieke weergave van elektrisch veld-geassisteerde plaatsing van nanoschaalmaterialen tussen paren van tegenoverliggende grafene elektrode gestructureerd in een grote grafene laag op een vast substraat. Quantum dots (rood), koolstofnanobuizen (grijs), en molybdeendisulfide nanosheets (wit/grijs) worden getoond als representatieve 0D, 1D en 2D nanomaterialen die op grote schaal kunnen worden gemonteerd op basis van de grafene-gebaseerde, elektrisch veld-geassisteerde plaatsingsmethode.

Grafene is het dunste geleidende materiaal dat elektrische velden kan ondersteunen. We benutten deze velden om nanomaterialen op een grafene vel te leiden: de ingenieursgewijs vorm en patroon van de grafene elektrode dicteert de uiteindelijke plaatsing. Dit levert ongekende precisie voor het construeren van nanomaterialen. Traditionele methoden steunen op metalen zoals koper, maar koper kan niet schoon worden verwijderd na assemblage, wat de prestaties in gevaar brengt of het nanomateriaal vernietigt. Grafene biedt zowel precisie als eenvoudige verwijdering.

De methode werkt ongeacht de geometrie van het nanomateriaal – quantum dots, koolstofnanobuizen, tweedimensionale nanosheets, etc. We hebben functionele transistors geproduceerd en hun prestaties geëvalueerd. Naast elektronica kan de techniek worden toegepast op deeltjesmanipulatie en vangen in lab-on-chip microfluidica (US20170292934A1).

Voortgang in grafene-gebaseerde nanomateriaalplaatsing kan next-generation zonnecellen, snellere processors voor smartphones en tablets, en kwantumapparaten mogelijk maken zoals elektrisch gecontroleerde on-chip kwantum lichtemitter of detectors. Dergelijke apparaten kunnen enkelvoudige fotonen emitteren of detecteren, essentieel voor veilige kwantumcommunicatie.

Ons onderzoek wijst erop dat grafene nanomaterialen kan integreren op manieren die standaardmaterialen niet kunnen, wat de weg baant voor industriële schaal elektronicafabricatie – een doel van de ambitieuze Graphene Flagship initiatief. Door samen te werken met de industrie, willen we kennisgeneratie, technologieontwikkeling en adoptie van deze bottom-up integratiemethode versnellen.

Graphene‑enabled and directed nanomaterial placement from solution for large‑scale device integration. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-018-06604-4.