Epitaxial metal template development for Graphene growth

“There is plenty of room at the bottom”

Met deze uitspraak opende fysicus Richard Feynman in 1959 de deur voor het tijdperk van de Nanotechnologie. En gelijk had hij ook, de wereld op schaal van de nanometer (honderdduizend maal kleiner dan de doorsnede van een menselijk haar) zou in de nabije toekomst wel eens voor een nieuwe technologische revolutie kunnen zorgen. Van de meest geavanceerde elektronische componenten tot baanbrekende geneesmiddelen, van de nieuwste zonneceltechnologiën tot materialen met radicaal vernieuwende eigenschappen, heeft deze nano-wereld ontelbaar vele verassingen in petto. Éen daarvan is het materiaal grafeen.

Grafeen is een zogenaamd tweedimensionaal materiaal dat uitsluitend uit koolstofatomen bestaat. Deze zijn geordend volgens een zeshoekig patroon, en vormen zo een uiterst dun “blad” met merkwaardige eigenschappen. Grafeen is een uitstekende geleider voor elektriciteit en warmte, het is vele malen sterker dan staal, en tegelijkertijd ook lichter. Het wordt hierdoor vaak beschouwd als een waardige vervanger voor silicium, dat tegenwoordig als basismateriaal gebruikt wordt voor de meeste micro-elektronica toepassingen.

Grafeen, hoe maakt U het?

Om deze eigenschappen ten volste te benutten is echter grafeen van hoge kwaliteit nodig, en dit is juist de moeilijkheid. De toegankelijkste manier om grafeen op een industriële schaal aan te maken is Chemical Vapour Deposition (CVD). In CVD vloeit een koolstofhoudend gas op hoge temperatuur (1000°C) over een substraat, waar een chemische reactie plaats vindt die resulteert in grafeen. De kwaliteit van het substraat, waarop de uiteindelijke laag grafeen zal liggen, is hier van kapitaal belang. Het substraat dient zo vlak mogelijk te zijn, en de bovenste laag moet een perfekte kristallijne struktuur vertonen.

De materialen waaruit het substraat bestaat bepalen de bereikbare kwaliteit van zowel het substraat zelf, als van het grafeen dat erop zal groeien. Een dun laagje koper (een halve micrometer), dat gedeponeerd wordt op een monokristallijne saffierschijf (aluminiumoxide), vormt een aantrekkelijke combinatie. Koper is een keuze die toelaat het aantal lagen grafeen eenvoudig te beperken.

Om grafeen aan te maken wordt een procédé gevolgd dat bestaat uit drie stappen, waarvan de eerste de belangrijkste is. De saffierschijf wordt eerst chemisch behandeld, waarna onder hoogvacuum de koperdepositie kan plaatsvinden. Uiteindelijk wordt het substraat blootgesteld aan de hoge temperatuur waaronder grafeen groeit. Dit bevordert de kristalliniteit van de bovenste koperlaag aanzienlijk, aangezien de smelttemperatuur van koper (1083°C) bijna bereikt wordt.

De eerste stap, de chemische behandeling, beïnvloedt de compositie van de bovenste laag saffier, de “terminatie”. Deze kan variëren tussen zuurstofrijk en aluminiumrijk. De thermodynamika voorspelt dat de zuurstofrijke terminatie gunstig is voor de kwaliteit van de koperlaag, maar eveneens dat de aluminiumrijke terminatie de meest stabiele is onder kamertemperatuur en atmosferische druk. Om een zuurstofrijke terminatie te implementeren kan de saffierschijf op hoge temperatuur (800°C) gebakken worden in een zuurstofomgeving. Dit zorgt echter voor een licht beschadigde saffieroppervlak, waarvan de chemische terminatie niet stabiel genoeg is. Hierdoor is het moeilijk om een koperlaag te deponeren dat voldoet aan de kwaliteitseisen.

De oplossing is -onverwacht- de aluminiumterminatie. Door het verwijderen van de zuurstofbehandeling wordt de saffierschijf niet meer beschadigd, en de stabiliteit van de aluminiumterminatie bevordert de industriele haalbaarheid van deze aanpak. Mits optimalisatie van de koperdepositie zelf is het mogelijk om een koperlaag te bekomen die tijdens de grafeengroei de ideale struktuur zal aannemen. Deze bestaat uit een perfekt koperkristal, waar de dimensies van de kristallijne domeinen de dimensies van de onderliggende saffierschijf benaderen. Dit is te wijten aan de overdracht van kristalinformatie van de saffierschijf naar de koperlaag.  Wanneer de gedeponeerde koperlaag onder invloed van de saffierschijf dezelfde kristallijne struktuur aanneemt, wordt deze koperlaag epitaxiaal genoemd.

Het grafeen dat op een dergelijk epitaxiaal substraat kan groeien neemt de kristallijne struktuur ervan over, waardoor er grote uniforme grafeendomeinen aangemaakt kunnen worden. In principe kan zo de grootte van het grafeenblad gekozen worden door de dimensies van het substraat aan te passen.

Dit is een van de sterktes van CVD als productiemethode met het oog op industriële toepassingen voor grafeen. Met het ontwikkelen van een hoogwaardig kristallijn substraat voor grafeengroei is een verdere stap in deze richting gezet. Tot op heden vormde de kwaliteit van de CVD-substraten een significant probleem. Met deze oplossing komt het gebruiken van grafeen in het alledaags leven iets dichterbij.

Nog lang niet voor morgen

Ook al is  er een decisieve stap gezet in de richting van een industrieel haalbare productiemethode voor grafeen, er blijven wel degelijk nog enkele struikelblokken de weg versperren. Om grafeen te kunnen gebruiken moet deze overgebracht worden van het geleidend kopersubstraat naar een isolerend substraat, waarna bewerkingen volgen om er een elektronisch circuit van te maken. Deze technologiëen moeten nog gedeeltelijk ontwikkeld worden. Misschien blijkt een van deze struikelblokken onoverkomelijk.  Wat wel zeker is, is dat dit in de komende jaren ongetwijfeld voor een hele hoop spannend en inspirerend onderzoek zal zorgen!

Noot: Bron van het beeldmateriaal: H. Ago et al., APEX 2013 075101