Graphen ermöglicht präzise Nanomaterial-Platzierung für industrielle Geräteintegration

Nanomaterialien bieten unvergleichliche optische und elektrische Eigenschaften und versprechen eine Bottom-up-Integration in die Mainstream-Halbleiterfertigung. Doch die präzise, kontaminationsfreie Abscheidung an definierten Chip-Positionen bleibt ein gewaltiges Hindernis. Graphen – extrem dünn, robust, flexibel und hochleitfähig – bietet eine transformative Lösung.

Industrielle Skalierung von Nanomaterialien

In der Industrial Technology and Science Group von IBM Research Brasilien entwickeln, wenden und skalieren wir Nanomaterialien – Partikel im Millionstel-Millimeter-Bereich – für die Massenproduktion. Vor drei Jahrzehnten war das Beobachten und Manipulieren einzelner Atome unmöglich; moderne Techniken erlauben nun das Sondieren und Modellieren nanoskaligen Verhaltens.

Durchbruch: Graphen-gesteuerte Abscheidung mit 97 % Ausbeute

In unserer neuen Publikation „Graphene‑enabled and directed nanomaterial placement from solution for large‑scale device integration“, veröffentlicht in Nature Communications, bewiesen wir gemeinsam mit akademischen Partnern erstmals, dass sich Graphen elektrifizieren lässt, um Material an beliebigen Positionen auf einer festen Oberfläche mit einer fast perfekten Ausbeute von 97 % abzuscheiden.

Die Verwendung von Graphen ermöglicht Wafer-skalige Nanomaterial-Integration mit Nanometer-Präzision. Nicht nur können wir Material an einem spezifischen nanoskaligen Ort abcheiden, wir demonstrierten auch, dass dies parallel an mehreren Stellen durchgeführt werden kann – was die Massenskalierung ermöglicht. Diese Arbeit wurde patentiert (US9412815B2).

Warum Graphen?

Graphen ist das dünnste leitfähige Material, das elektrische Felder tragen kann. Wir nutzen diese Felder, um Nanomaterialien auf ein Graphenblatt zu lenken: Die konstruierte Form und das Muster der Graphen-Elektrode diktieren die finale Platzierung. Dies liefert beispiellose Präzision für den Aufbau von Nanomaterialien. Traditionelle Methoden setzen auf Metalle wie Kupfer, doch Kupfer lässt sich nach der Assemblierung nicht sauber entfernen, was die Leistung gefährdet oder das Nanomaterial zerstört. Graphen bietet sowohl Präzision als auch einfache Entfernbarkeit.

Die Methode funktioniert unabhängig von der Geometrie des Nanomaterials – Quantenpunkte, Kohlenstoffnanoröhren, zweidimensionale Nanoschichten etc. Wir haben funktionale Transistoren gefertigt und ihre Leistung evaluiert. Jenseits der Elektronik kann die Technik auf Partikelmanipulation und -fang in Lab-on-a-Chip-Mikrofluidik angewendet werden (US20170292934A1).

Zukünftige Anwendungen

Fortschritte bei der graphenbasierten Nanomaterial-Platzierung könnten Solarzellen der nächsten Generation, schnellere Prozessoren für Smartphones und Tablets sowie Quantenbauelemente wie elektrisch gesteuerte On-Chip-Quantenlichtemitter oder -detektoren ermöglichen. Solche Bauelemente können einzelne Photonen emittieren oder detektieren, essenziell für sichere Quantenkommunikation.

Unsere Forschungsergebnisse zeigen, dass Graphen Nanomaterialien auf Arten integrieren kann, die Standardmaterialien nicht können, und damit den Weg für industrielle Elektronikfertigung ebnet – ein Ziel der ambitionierten Graphene Flagship Initiative. Durch Partnerschaften mit der Industrie streben wir an, Wissensgenerierung, Technologieentwicklung und Einführung dieser Bottom-up-Integrationsmethode zu beschleunigen.

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