Graphen bringt Nanomaterialien an ihren Platz

Nanomaterialien bieten einzigartige optische und elektrische Eigenschaften und eine Bottom-up-Integration in industrielle Halbleiterfertigungsprozesse. Sie stellen jedoch auch eines der schwierigsten Forschungsprobleme dar. Im Wesentlichen fehlen heute in der Halbleiterfertigung Methoden, um Nanomaterialien an vordefinierten Chippositionen ohne chemische Kontamination abzuscheiden. Wir glauben, dass Graphen, eines der dünnsten, stärksten, flexibelsten und leitfähigsten Materialien der Welt, dazu beitragen könnte, diese Fertigungsherausforderung zu lösen.

Unser Team, die Industrial Technology and Science Group von IBM Research-Brazil, konzentriert sich auf die Entwicklung, Anwendung und Einführung von Nanomaterialien (die ein Millionstel Millimeter groß sind) für großtechnische Anwendungen. Bis vor etwa 30 Jahren war es nicht möglich, einzelne Atome und Moleküle zu sehen und zu manipulieren. Mit der Entwicklung neuer Techniken können wir beginnen zu experimentieren und Theorien über die Auswirkungen des Verhaltens eines Materials auf der Nanoskala aufzustellen.

In unserem neuen Paper „Graphene-enabled anddirected nanomaterial place from solution for large-scale device integration“, veröffentlicht in Nature Communications, haben wir und unsere akademischen Kooperationspartner erstmals gezeigt, dass es möglich ist, Graphen so zu elektrifizieren, dass es Material abscheidet an jedem gewünschten Ort auf festem Untergrund mit einer nahezu perfekten Wahlbeteiligung von 97{ccf696850f4de51e8cea028aa388d2d2d2eef894571ad33a4aa3b26b43009887}. Die Verwendung von Graphen auf diese Weise ermöglicht die Integration von Nanomaterialien im Wafer-Maßstab und mit Nanometer-Präzision.

Es ist nicht nur möglich, Material an einem bestimmten, nanoskaligen Ort abzuscheiden, sondern wir haben auch berichtet, dass dies parallel an mehreren Abscheidungsplätzen erfolgen kann, dh es ist möglich, Nanomaterialien im Massenmaßstab zu integrieren. Diese Arbeit wurde patentiert [US9412815B2].

Künstlerische Darstellung der durch ein elektrisches Feld unterstützten Platzierung von nanoskaligen Materialien zwischen Paaren gegenüberliegender Graphenelektroden, die zu einer großen Graphenschicht strukturiert sind, die sich auf einem festen Substrat befindet. Quantenpunkte (rot), Kohlenstoff-Nanoröhrchen (grau) und Molybdändisulfid-Nanoblätter (weiß/grau) werden als repräsentative 0D-, 1D- und 2D-Nanomaterialien gezeigt, die in großem Maßstab basierend auf dem Graphen-basierten, elektrischen Feld-unterstützten aufgebaut werden können Platzierungsmethode.

Graphen ist das dünnste Material, das Elektrizität leiten und elektrische Felder ausbreiten kann. Die elektrischen Felder sind das, was wir verwenden, um Nanomaterialien auf einer Graphenfolie zu platzieren:Die Form und das Muster des Graphens (das wir entwerfen) bestimmen, wo die Nanomaterialien platziert werden. Dies bietet ein beispielloses Maß an Präzision für den Aufbau von Nanomaterialien. Heute wird dieser Ansatz mit Standardmaterialien durchgeführt, meist Metallen wie Kupfer. Die Herausforderung liegt jedoch darin, dass es fast unmöglich ist, das Kupfer nach dem Zusammenbau aus den Nanomaterialien zu entfernen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen oder das Nanomaterial vollständig zu zerstören. Graphen gibt uns nicht nur Präzision bei der Platzierung von Nanomaterialien, sondern lässt sich auch leicht aus dem zusammengesetzten Nanomaterial entfernen.

Wichtig ist, dass die Methode unabhängig von der Form des Nanomaterials funktioniert, beispielsweise mit Quantenpunkten, Nanoröhren und zweidimensionalen Nanoblättern. Wir haben die Methode verwendet, um funktionierende Transistoren zu bauen und ihre Leistung zu testen. Zusätzlich zur integrierten Elektronik kann das Verfahren zur Partikelmanipulation und zum Einfangen in der Lab-on-Chip-Technologie (Mikrofluidik) verwendet werden [US20170292934A1].

Der Fortschritt bei der Verwendung von Graphen für die Platzierung von Nanomaterialien könnte genutzt werden, um Solarmodule der nächsten Generation, schnellere Chips in Mobiltelefonen und Tablets oder explorative Quantengeräte wie einen elektrisch gesteuerten Quantenlichtemitter oder -detektor auf dem Chip herzustellen. Ein solches Gerät kann einzelne Photonen aussenden oder erkennen, eine Voraussetzung für eine sichere Kommunikation.

Beweise wie diese veröffentlichte Studie deuten darauf hin, dass Graphen die Integration von Nanomaterialien ermöglichen könnte, die Standardmaterialien (heute verwendet) nicht leisten können. Dies könnte den Weg für die Aufnahme in die industrielle Elektronikfertigung ebnen, die ein wichtiges Ziel einer der ehrgeizigsten Forschungsanstrengungen weltweit ist, dem Graphen-Flaggschiff. Durch die Zusammenarbeit mit Industriepartnern hoffen wir, die Wissensgenerierung, Technologieentwicklung und Einführung dieser Bottom-up-Methode zur Integration von Nanomaterialien zu beschleunigen.

Graphen-unterstützte und gerichtete Nanomaterial-Platzierung aus einer Lösung für die Integration von großtechnischen Geräten. Naturkommunikation. DOI:10.1038/s41467-018-06604-4.