Grafene: nuove proprietà miglior utilizzo
L'analisi al microscopio elettronico di strati di grafene cresciuti su superfici di carburo di silicio ha permesso di individuare proprietà del materiale utilizzabili per realizzare dispositivi ancora più efficienti. Lo studio è a cura dell'Istituto per la microelettronica e microsistemi del Cnr di Catania in collaborazione con il SuperStem Lab di Daresbury
Nell'ambito di una collaborazione con il SuperSTEM Lab di Daresbury (Uk), un team di ricercatori dell'Istituto per la microelettronica e microsistemi del Cnr di Catania (Imm-Cnr) ha effettuato una serie di misure al microscopio elettronico a scansione di strati di grafene 'cresciuti' su superfici di carburo di silicio, materiale -quest'ultimo- alla base dell'attuale elettronica basata sul silicio.
Lo studio ha permesso di osservare e 'manipolare' proprietà su scala atomica del grafene tali da migliorare sensibilmente l'integrazione tra i due materiali e quindi la possibilità di realizzare dispositivi sempre più efficienti. "Abbiamo seguito una tecnica detta di 'crescita epitassiale', che consiste nell'allineare, atomo per atomo, il grafene con la struttura atomica del carburo di silicio (SiC)," spiega il ricercatore Giuseppe Nicotra (Imm-Cnr). "Come già noto in letteratura, questo processo determina la formazione di un primo monostrato di carbonio denominato 'buffer layer', che non ha le eccezionali proprietà fisiche ed elettroniche del grafene, essendo parzialmente legato agli atomi di silicio del substrato".
La novità introdotta dallo studio è stata quella di osservare che, modificando opportunamente l'orientazione della superficie del substrato di silicio, è possibile 'esporre delle facce' sulle quali la crescita del grafene procede senza la generazione del 'buffer layer': "La conferma è stata ottenuta osservando la struttura atomica del grafene a contatto con il carburo di silicio mediante la microscopia elettronica a scansione in trasmissione, una tecnica che permette di mantenere alta la risoluzione e operare a bassissima energia così da non danneggiare il grafene durante l'osservazione stessa", aggiunge Nicotra. "Ciò ci ha permesso di scoprire che gli atomi del 'buffer layer' di carbonio, nella crescita, rompono i propri legami con gli atomi di silicio del substrato quando questo muta la sua orientazione lungo direzioni ben definite. Ulteriori misure elettriche, supportate da simulazioni quantomeccaniche, hanno dimostrato che il primo strato di materiale cresciuto dal 'distacco' del carburo di silicio assume le proprietà del grafene".
Il risultato è di fondamentale importanza soprattutto per le applicazioni tecnologiche basate su semiconduttori: la possibilità di modificare localmente le caratteristiche elettriche del grafene ottenuto per crescita epitassiale può infatti migliorare ulteriormente le performances dei dispositivi microelettronici a base di carburo di silicio attualmente utilizzati.
La collaborazione tra l'Istituto Cnr e il laboratorio di Daresbury, avviata nell'ambito dei progetti europei 'Graphic-Rf' del programma Eurographene e 'Beyond-Nano' proseguirà con l'acquisizione, da parte dell'Istituto Cnr, di un microscopio con prestazioni ulteriormente migliorate rispetto a quello utilizzato per lo studio, un microscopio elettronico a scansione in trasmissione dotato di correttore di aberrazione sferica della sonda e in grado di raggiungere la risoluzione spaziale sub-atomica anche a bassa energia e di effettuare simultaneamente più di mille analisi chimiche al secondo.
Fonte: Giuseppe Nicotra, Head of BeyondNano Sub-Angstrom lab, tel. 095/5968228 , email giuseppe.nicotra@imm.cnr.it -
Per saperne di più: ACS Nano, - dx.doi.org/10.1021/nn305922u