This is Science: Новости с графеновых полей
Открытие графена — одномерного полупроводника — в 2004 году принесло его создателям Гейму и Новосёлову Нобелевскую премию году в 2010, но уже десятилетие спустя после того самого открытия их последователи интенсивно внедряют в жизнь и предлагают различные применения столь уникального материала: от смазки до вакуумных транзисторов.В начале сего года была опубликована статья «Графен — жизнь или смерть?», в которой мы разбирались в перспективах и, отчасти, последствиях повсеместного внедрения графена, как основы микроэлектроники будущего. Что ж, давайте посмотрим, что на сегодняшний день могут предложить нам учёные в рамках внедрения графена для замещения ставших уже традиционными материалов.
Краткая справка о графенеГрафен — одномерный материал, состоящий из sp2-гибридизованных атомов углерода, который обладает рядом интересных с точки зрения физики свойств.Самое важное и уникальное из них — электрические характеристики. Графен, с одной стороны, имеет фактически нулевую запрещённую зону и очень лёгкие электроны и дырки, что делает его идеальным проводником, способным проводить сигналы быстрее, чем любой другой материал на планете. Однако sp2-гибридизация атомов углерода также позволяет проводить его модификацию, получая, например, изолятор или полупроводник. Плюс к этому переход межу проводящим и полупроводящим состояниями зависит от ширины графеновой ленты.
С другой стороны он эластичный, то есть гнётся, при этом демонстрируя уникальную и недостижимую прочность на разрыв — до ~1000 ГПа, что в почти в 100 раз выше, чем у стали. А свёрнутый в трубочку графен — углеродная нанотрубка, которая так же может использоваться в электронных устройствах; её диаметр может варьироваться от 1.5 нм до сотен нм.
И наконец, он, графен, прозрачен, то есть просто идеален в качестве замены дорогому — в основном из-за индия — ITO в современных дисплеях и отчасти светодиодах. Однако двумерные системы сами по себе не устойчивы. Таким образом, проблема создания идеально ровного графенового покрытия на какой-либо поверхности — тяжелейшая научно-техническая задача.
Пожалуй, с последнего свойства и начнём.
LED или светодиод на основе графена Ремарочка. Если мы рассмотрим светодиод как таковой (в лампочках, например), то ему потенциально не требуется подложка из ITO в какчестве электрода, с этим относительно удачно справляются тончайшие металлические контакты (об этом, я некогда писал в отдельной статье). Однако, если требуется создать димплей на массиве светодиодов, то в данном случае замена ITO крайне желательна и полезна, в том числе для улучшения характеристик дисплея.
Итак, одним из промышленных методов нанесения покрытий из графена на различные подложки является PECVD (или плазменно-химическое осаждение из газовой фазы). Заключается данная технология во «впрыске» газа-носителя метана с последующим его разогревом под действием радиочастотного излучения и осаждением углерода на холодную подложку.
Вот группа учёных из Сеульского Национального Университета и вооружилась данным методом нанесения покрытий из графена, предложив прямой способ создания ярких синих диодов минуя стадию переноса графена с подложки на подложку. В таких светодиодах дорогой ITO заменен на более дешёвую подложку из графена, а в качестве светоизлучающего слоя используется нитрид галлия, что является некоторым стандартом для отрасли.
Слева на право: схема PECVD установки; схема компоновки диода и основные материалы; вольтамперная характеристика диода
Конечно, за счёт варьирования длительности процесса PECVD, можно получать покрытие из графена разной толщины и, соответственно, с различным светопропусканием. Однако, минимальное количество слоёв, как показано на рисунке ниже, позволяет получить практически 100%-ное пропускание света, излучаемого светодиодом, и, как следствие, больший внешний выход по току.
Слоёный пирог светодиода в разрезе: от сапфировой подложки до 5–6 слоёв графена на поверхности светодиода
Также авторы провели тестирование на воспроизводимость и сравнение с традиционной технологией переноса графена с одной подложки, обычно используемой для роста, на другую, которая уже и будет стоять в конечном устройстве:
a-c) Тест на воспроизводимость результатов в рамках одного цикла. d-e) Сравнение светодиодов на основе графена, полученных прямым осаждением (DG) и переносом, трансфером графена с подложки на подложку (TG)
Результаты говорят сами за себя: при относительно небольшом разбросе по выходной мощности, полученные светодиоды уверенно опережают обычную, «стандартную» технологию по максимальной мощности при заданном токе (сравнение на рисунке e).
Оригинальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn405477f)
Графеновый RF-FET для общения с носимой электроникой Основная проблема воистину носимой электроники, которая встроена в одежду и никаким образом не привлекает к себе внимания — сочетание гибкости с определёнными характеристиками. Поиску решения данной проблемы и посвятили свои работы коллективы учёных следующих двух статей.В первой из них тайваньские авторы предложили интересный способ, как создать полевой транзистор на гибкой подложке, который потенциально может стать основой для коммуникации между отдельными элементами носимой электроники.
Итак, нам потребуется: графен, перенесённый на гибкую PET подложку, немножко алюминия, чтобы сделать затвор и капелька живительного кислорода. С помощью литографии наносим затвор из алюминия на полоску графена, а затем оставляем устройство в камере с парой дополнительных атмосфер чистейшего O2. Нам даже ничего не придётся предпринимать, химия и диффузия сделаю всю работу за нас, формируя запирающий слой диэлектрика между алюминием и графеном. После остаётся лишь «запылить», то есть нанести сами контакты.
Довольно простая и интересная схема изготовления запирающего слоя диэлектрика в графеновом транзисторе
И вуа-ля, сборка транзисторов готова. Вот так это выглядит через око электронного микроскопа:
Оптическая фотография подложки с полевыми транзисторами (а) и изображения самих транзисторов, полученных с помощью сканирующей электронной микроскопии
Чтобы не утомлять читателей довольно скучными техническими деталями тестирования данного образца полевого транзистора на основе графена, позволю себе сразу обратиться к потенциальным применениям разработки. Авторы работы собрали смеситель частот на основе полученного полевого транзистора и протестировали его, в том числе и при механических деформациях.
Подробнее о принципе работы смесителя частот можно почитать тут. Для краткого пояснения картинки: LO — известная немодулированная частота, относительно которой выполняется преобразование, RF — частота, которая преобразуется/модулируется, IF — используются для подачи и получения сигналов низкой и высокой частот.
а) Принципиальная электронная схема смесителя частота на основе полевого транзистора. b) Радиочастотный спектр. c-d) Радиочастотные характеристики
Что это нам даёт?! А даёт нам это совершенно крохотный преобразующий элемент радиочастотной техники, который может быть использован, например, для NFC-коммуникации между, например, отдельными устройствами внутри умной одежды.
Оригинальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn5036087)
И коль скоро мы затронули тему носимой электроники, то давайте обратимся к примеру создания полевых транзисторов на тканях на основе графена.
Согни меня полностью по-графеновски Уже другая группа южнокорейских учёных предложила метод создания графеновых ультра-тонких транзисторов на опять-таки ультра-тонкой полимерной подложке, состоящей из специальной эпоксидной смолы.Сначала на обычную кремниевую подложку, покрытую слоем диоксида кремния, наносят тончайший слой полимера (SU-8), на котором уже и «печатают» транзисторы из графена, а затем слой SiO2 просто растворяют, отделяя таким образом тончайшую плёнку от подложки. При этом плёнку можно переносить на фактически любую поверхность, в том числе на ткань или кожу. Суммарная толщина плёнки — менее 100 нм!
Процесс создания тонкой плёнки с ультра-тонкими полевыми транзисторами
Однако какие проблемы нас ждут при таком переносе? Правильно, это не равномерность поверхности: изгибы, трещины, заломы — всё, что только может присутствовать на тканевых поверхностях. Ведь изменяя геометрию транзистора, мы тем самым изменяет его транспортные свойства, в том числе подвижность зарядов или распределение электрического поля на затворе, то есть получается, что при одном и том же номинальном напряжении транзистор в согнутом состоянии начнёт вдруг пропускать ток, тогда, как в недеформированном будет его запирать.
К счастью всех этих проблем удалось избежать, в результате оказалось, что положение транзистора (в изгибе или на плоской поверхности ткани) несущественно сказывается на электрическом поведении самого транзистора.
Тестирование транзисторов при различном их расположении
Равно, как и изгибы, растягивание, складывание ткани пополам:
Тестирование транзисторов при изгибе, кручении и растягивании
И недолго думая, учёные решили с помощью разработанной технологии создать тактильный сенсор, способный распознать касание в 9 кПа, что эквивалентно давлению в 0.1 атмосферы или 100 граммам силы на см2:
Тактильный сенсор, способный распознать 0,1 кгс/см2
Данная технология может найти применения в умной одежде, как не требующая специального оборудования для нанесения (как говорится, наклеил и забыл), в том числе, в части носимых и не доставляющих дискомфорт датчиков сердцебиения, уровня кислорода и так далее. Но возможно — чем чёрт корейские учёные не шутят — поможет биороботам и биопротезам приобрести тактильные ощущения.
Оригинальная статья в ACSNano (DOI: 10.1021/nn503446f)
