Графен обеспечивает точное размещение наноматериалов для промышленной интеграции устройств

Наноматериалы обладают беспрецедентными оптико-электрическими характеристиками и обещают нисходящую интеграцию в основное полупроводниковое производство. Однако точное, свободное от загрязнений осаждение в заданных точках чипа остается серьезным препятствием. Графен — исключительно тонкий, прочный, гибкий и высокопроводящий — предлагает трансформирующее решение.

В группе промышленных технологий и науки IBM Research — Бразилия разрабатывают, применяют и масштабируют наноматериалы — частицы в миллионную долю миллиметра — для массового производства. Три десятилетия назад наблюдение и манипулирование одиночными атомами было невозможным; современные техники теперь позволяют зондировать и моделировать наномасштабное поведение.

В новой статье «Графен-ориентированное и направленное размещение наноматериалов из раствора для крупномасштабной интеграции устройств», опубликованной в Nature Communications, команда совместно с академическими партнерами впервые доказала, что можно электрически зарядить графен так, чтобы он осаждал материал в любую заданную точку на твердой поверхности с почти идеальным выходом 97%.

Использование графена таким образом позволяет интеграцию наноматериалов в масштабе вейфера с нанометровой точностью. Не только можно осаждать материал в конкретной наномасштабной локации, но также продемонстрировано, что это выполняется параллельно на множестве участков — обеспечивая массовую интеграцию. Работа запатентована (US9412815B2).

Графен — самый тонкий проводящий материал, способный поддерживать электрические поля. Эти поля используются для направления наноматериалов на графеновый лист: спроектированная форма и паттерн графенового электрода диктуют итоговое размещение. Это обеспечивает беспрецедентную точность конструирования наноматериалов. Традиционные методы опираются на металлы вроде меди, но медь не может быть чисто удалена после сборки, угрожая производительности или разрушая наноматериал. Графен предлагает и точность, и легкое удаление.

Метод работает независимо от геометрии наноматериала — квантовых точек, углеродных нанотрубок, двумерных нанолистов и др. Созданы функциональные транзисторы и оценена их производительность. Помимо электроники, техника применима к манипуляции и ловушкам для частиц в микрожидкостных лабораториях на чипе (US20170292934A1).

Прогресс в графеновом размещении наноматериалов может дать жизнь солнечным элементам следующего поколения, более быстрым процессорам для смартфонов и планшетов, и квантовым устройствам вроде электрически управляемых на чипе квантовых излучателей или детекторов одиночных фотонов. Такие устройства могут излучать или детектировать одиночные фотоны, что необходимо для безопасной квантовой коммуникации.

Результаты исследования показывают, что графен может интегрировать наноматериалы способами, недоступными стандартным материалам, прокладывая дорогу к промышленному масштабу производства электроники — цели амбициозной инициативы Graphene Flagship. Партнерствуя с промышленностью, команда стремится ускорить генерацию знаний, развитие технологий и внедрение этого нисходящего метода интеграции.

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