Ученые Итальянского технологического института и Национального межуниверситетского консорциума по телекоммуникациям (г. Рим, Италия) разработали новый метод получения однокристального графена с перспективой применения в фотонных, оптоэлектронных и электронных приложениях.

Работа проведена в рамках 10-летней программы Европейской комиссии Graphene Flagship по изучению графена, запущенной в 2013 г. Графен был получен методом химического осаждения из газовой фазы с помощью оптической литографии на медной основе (см. рисунок). Подвижность носителей заряда такого графена выше, чем у графена, выращенного на пленке, и он демонстрирует сопоставимые электрические свойства с графеном, полученным методом механического расщепления.

Источник: R&D Magazine

Процесс целенаправленного выращивания однокристального графена (а–г). Изображения матриц (д–ж) с размером ячейки 200 мкм и размером кристаллов около 100 мкм: снимок сканирующей электронной микроскопии матрицы с единичными кристаллами графена (д); оптический снимок матрицы графена на пленке из окисленной меди (е); оптический снимок однокристальной матрицы, перенесенной на Si/SiO2-подложку с выверкой по разметке (ж)

Высококачественный графен может быть выращен на матрицах разных габаритов. Методом оптической литографии на них размещаются металлические кристаллы-затравки, на которых растут кристаллы графена. Размещение затравок обусловлено особенностями оптоэлектронных и фотонных устройств, и графен растет только в тех местах, где это необходимо, что в конечном итоге способствует экономии материалов.

Новый метод облегчает получение графена, позволяя избежать таких проблем, как появление неровностей, растяжение и слипание одноатомных пластин. Процесс не требует много времени, он стабилен, безопасен (доля используемых взрывоопасных газов – ​менее 1,25%), хорошо масштабируется. Такой вариант подходит для применения в промышленности, где ориентируются на возможность создания надежных и недорогих производственных линий.

Единичный кристалл графена обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным поликристаллическим графеном. Размер кристаллов поликристаллического графена – ​5–20 мкм, а величина монокристаллов – ​до 4 см. Толщиной монокристаллического графена можно управлять, в то время как 95% поликристаллического графена представляет собой монослой. Подвижность носителей заряда монокристаллического графена – ​300000 см²/(Вбс); в поликристаллическом графене подвижность носителей заряда ограничена размерами кристаллов и находится в диапазоне 1000–3000 см²/(Вбс).

Предложенный метод может быть использован для создания высокопроизводительных детекторов и модуляторов на основе графена. Он позволяет преодолеть существующие ограничения графеновой фотоники, перспективной для развития ЦОДов и телекоммуникационных систем городской и дальней связи. В ходе испытаний была достигнута рекордная скорость приема и передачи данных среди графеновых устройств: электропоглощающий модулятор на SOI показал скорость 50 Гб/с. Новую технологию можно адаптировать для производства уже существующих платформ, что наверняка вызовет интерес со стороны телекоммуникационных компаний, специализирующихся на цифровой связи.

Для оценки качества и производительности устройств на основе графена, полученного новым методом, требуются дальнейшие научные исследования. Предполагается, что момент вывода технологии на рынок придется на стадию зрелости высокоскоростных приемников и передатчиков, и именно такие устройства станут ее основной сферой применения.

Waters Rebecca. Seeding Large Single-Crystal Graphene for Photonics Applications. R&D Magazine, January 21, 2019: https://www.rdmag.com/article/2019/01/seeding-large-single-crystal-graphene-photonics-applications