Grafeen zet nanomaterialen op hun plaats

Nanomaterialen bieden unieke optische en elektrische eigenschappen en bottom-up integratie in industriële productieprocessen voor halfgeleiders. Ze vormen echter ook een van de meest uitdagende onderzoeksproblemen. In wezen ontbreekt het tegenwoordig bij de fabricage van halfgeleiders aan methoden om nanomaterialen op vooraf gedefinieerde chiplocaties te deponeren zonder chemische verontreiniging. We denken dat grafeen, een van de dunste, sterkste, meest flexibele en meest geleidende materialen ter wereld, kan helpen bij het oplossen van deze productie-uitdaging.

Ons team, de Industrial Technology and Science-groep in IBM Research-Brazilië, is gericht op de bouw, toepassing en toepassing van nanomaterialen (die een miljoenste van een millimeter groot zijn) voor grootschalige industriële toepassingen. Tot ongeveer 30 jaar geleden was het niet mogelijk om afzonderlijke atomen en moleculen te zien en te manipuleren. Met de ontwikkeling van nieuwe technieken kunnen we gaan experimenteren en theoretiseren over de impact van het gedrag van een materiaal op nanoschaal.

In ons nieuwe artikel, "Graphene-enabled and directioned nanomaterial placement from solution for large-scale device integration", gepubliceerd in Nature Communications, hebben wij en onze academische samenwerkingspartners voor het eerst bewezen dat het mogelijk is om grafeen te elektrificeren zodat het materiaal deponeert op elke gewenste locatie op een stevige ondergrond met een bijna perfecte opkomst van 97{ccf696850f4de51e8cea028aa388d2d2d2eef894571ad33a4aa3b26b43009887}. Door grafeen op deze manier te gebruiken, kunnen nanomaterialen op wafelschaal en met nanometerprecisie worden geïntegreerd.

Het is niet alleen mogelijk om materiaal op een specifieke locatie op nanoschaal te deponeren, we hebben ook gemeld dat dit parallel kan worden gedaan, op meerdere depositielocaties, wat betekent dat het mogelijk is om nanomaterialen op massaschaal te integreren. Dit werk is gepatenteerd [US9412815B2].

Artistieke weergave van elektrisch veld-geassisteerde plaatsing van nanoschaalmaterialen tussen paren tegenover elkaar liggende grafeenelektroden gestructureerd in een grote grafeenlaag bovenop een vast substraat. Quantum dots (rood), koolstof nanobuisjes (grijs) en molybdeendisulfide nanosheets (wit/grijs) worden weergegeven als representatieve 0D-, 1D- en 2D-nanomaterialen die op grote schaal kunnen worden geassembleerd op basis van het op grafeen gebaseerde, elektrisch veldondersteunde plaatsingsmethode.

Grafeen is het dunste materiaal dat elektriciteit kan geleiden en elektrische velden kan voortplanten. De elektrische velden zijn wat we gebruiken om nanomaterialen op een grafeenvel te plaatsen:de vorm en het patroon van het grafeen (dat we ontwerpen) bepaalt waar de nanomaterialen worden geplaatst. Dit biedt een ongekend niveau van precisie voor het bouwen van nanomaterialen. Tegenwoordig wordt deze aanpak gedaan met behulp van standaardmaterialen, meestal metalen zoals koper. Maar de uitdaging doet zich voor omdat het bijna onmogelijk is om het koper uit de nanomaterialen te verwijderen als het eenmaal is geassembleerd, zonder de prestaties te beïnvloeden of het nanomateriaal volledig te vernietigen. Grafeen geeft ons niet alleen precisie bij het plaatsen van nanomaterialen, maar is ook gemakkelijk te verwijderen van het geassembleerde nanomateriaal.

Belangrijk is dat de methode ongeacht de vorm van het nanomateriaal werkt, bijvoorbeeld met quantum dots, nanobuisjes en tweedimensionale nanosheets. We hebben de methode gebruikt om functionerende transistoren te bouwen en hun prestaties te testen. Naast geïntegreerde elektronica kan de methode worden gebruikt voor het manipuleren en vangen van deeltjes in lab-on-chip (microfluidics) technologie [US20170292934A1].

De vooruitgang in het gebruik van grafeen voor het plaatsen van nanomaterialen kan worden gebruikt om zonnepanelen van de volgende generatie, snellere chips in mobiele telefoons en tablets of verkennende kwantumapparaten te maken, zoals een elektrisch gestuurde, on-chip kwantumlichtzender of -detector. Zo'n apparaat kan afzonderlijke fotonen uitzenden of detecteren, een voorwaarde voor veilige communicatie.

Bewijs zoals dit gepubliceerde onderzoek suggereert dat grafeen de integratie van nanomaterialen mogelijk zou kunnen maken die standaardmaterialen (die tegenwoordig worden gebruikt) niet kunnen doen. Dit zou de weg kunnen effenen voor opname in industriële elektronicaproductie, wat een hoofddoelstelling is van een van de meest ambitieuze onderzoeksinspanningen wereldwijd, Graphene Flagship. Door samen te werken met industriële partners hopen we de kennisgeneratie, technologieontwikkeling en adoptie van deze bottom-up methode voor integratie van nanomaterialen te versnellen.