Совместная группа исследователей из США и Великобритании предложила новый способ выращивания высококачественных пластин графена размером от 100 до 300 мм для нужд микроэлектронной промышленности. Разработка является важным шагом перед, т.к. 300 мм – это стандартный размер кремниевой пластины, а это означает, что углеродный материал теперь легко может интегрироваться с кремнием (такая интеграция в последние годы была одной из основных целей ученых).

Графен – двумерный лист углерода всего в один атом толщиной – весьма перспективный материал с точки зрения изготовления молекулярных электронных устройств в будущем, благодаря своим уникальным электронным и механическим свойствам, в частности, чрезвычайно высокой электропроводности и исключительной механической прочности. Первые реальные устройства на основе графена, скорее всего, будут объединять в себе не только углеродный материал, но и стандартные кремниевые CMOS-технологии.

Однако процесс интеграции графена с кремнием оказался сложнее, чем казалось на начальном этапе исследований, поскольку до сих пор не было предложено никакого достаточно надежного процесса производства графеновых пленок большой площади, которые обладали бы теми же свойствами, что и небольшие фрагменты материалы.

Исследователи уже опробовали несколько способов выращивания графена в масштабах микроэлектроники, в частности, эпитаксиальный рост на SiC-подложках, восстановление графена из оксида, химическое осаждение паров на металлические тонкие пленки (например, медь) и даже химическое осаждение на германиевую монокристаллическую поверхность.

Среди всех испробованных методик различные варианты химического осаждения из паров, вероятно, наилучшим образом обеспечивают интеграцию с кремнием. Однако проблема в том, что данный метод может внести большое число дефектов в производимый графен, от чего пострадает подвижность носителей заряда в материале.

Теперь же совместная группа исследователей из University of Texas (США) и Cambridge University (Великобритания) предложила модификацию методики химического осаждения паров на поликристаллические пленки меди, позволяющую выращивать графеновые пленки, размеры которых достигают 100 – 300 нм в поперечнике.

По словам ученых,

методика основана на идее масштабирования отточенного процесса выращивания небольших фрагментов графена на кремниевых подложках, покрытых медью.

Как только в процессе работы им удалось получить небольшие фрагменты высококачественного графена, масштабировать процесс было относительно просто. Единственной сложностью, по мнению исследователей, было поддержание температуры газа и равномерного распределения молекул в процессе роста крупномасштабной графеновой пленки.

По сравнению с ранее синтезированными образцами (как поликристаллическими, так и монокристаллическими) созданный ими поликристаллический графен, похоже, обладает наилучшими параметрами транспорта заряда. Более того, при охвате более 96% подложки, синтезированный графен имеет всего несколько дефектов (что было подтверждено при помощи рамановского отображения).

Из сформированной пленки ученые смогли построить более 25 тыс. полевых транзисторов (т.е. полезный выход составил более 75% по сравнению с 20%, продемонстрированными в ранних работах). Порядка 18% созданных устройств имеют крайне высокую мобильность зарядов, более чем в три раза превышающую мобильность зарядов, зафиксированную ранее у образцов поликристаллического графена значительно меньшей площади, но также полученных при помощи химического осаждения паров.

А пиковая скорость зарядов в созданных устройствах оказалась на 40% выше аналогичного параметра для создававшихся ранее устройств из монокристаллического графена.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале ACS Nano.