Grafen technologia produkcji i perspektywy zastosowań Włodzimierz Strupiński Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych / EPI-LAB Sp. z o.o. 1
2
Exfoliated Graphene 2004r. K.Novoselov, A.Geim Manchester Univ. Epitaxial Graphene 2004r. C.Berger et al. Atlanta, Georgia Inst.Tech. Flake sizes < 2000 μm 2
FORMY WĘGLA -pierwszy 2D kryształ (Novoselow et al, Nature 2005); -najcieńszy obiekt kiedykolwiek otrzymany; -najwyższa wytrzymałość (Lee et al., Science 2008); -nośniki ładunku bezmasowe fermiony Diraca (Novoselow et al, Nature 2005); -b.wysoka przewodność elektryczna (Meric et al., Nature Nanotech. 2008); -b.wysoka przewodność termiczna (Balandin et al., Nano Letters 2008); -b.elastyczny; -nieprzepuszcalny dla żadnych molekuł (Bunch et al., Science 2007); -itd
Struktura grafenu Struktura powłoki elektronowej atomu węgla w stanie podstawowym: 1s 2 2s 2 2p 2 hybrydyzacja sp2 a= 2.46 Å R= 1.42 Å R=1.54 Å - w diamencie Promień atomowy= 0.77 Å W płaszczyźnie xy wiązania sp 2 sp 2 typu s Prostopadle do płaszczyzny xy rezonansowe wiązania p z p z typu p
EXFOLIATED GRAPHENE m=250 000 cm 2 /Vs 300K m=1 000 000 cm 2 /Vs 4K 6
TECHNOLOGIA W ITME - GRAFEN EPITAKSJALNY NA SiC Podłoże SiC (6 3 6 3)R30 Polarność Si i C SiC SUBSTRATE Polityp 4H, 6H
KRYSZTAŁ WĘGLIKA KRZEMU
Metoda sublimacji (parowania) krzemu z SiC T=1600 o C
10
WZROST EPITAKSJALNY? PROBLEM SUBLIMACJA Si C 3 H 8 Ar Ar 1400 1700ºC 50 300mbar SiC SUBSTRATE
EPITAKSJA GRAFENU W LAMINARNYM STRUMIENIU ARGONU
Epitaksjalny Grafen - metoda epitaksji CVD High Resolution Transmission Electron Microscope (HR TEM) Piotr Dłużewski IF PAN Warszawa
Urządzenie w ITME: Hot-wall reactor Epigress V508 minimalne ciśnienie 10-6 mbar maksymalna temperatura 1650C 14
Wzrost na podłożach metalicznych C 3 H 8 Ar Ar 1000 1700ºC 50 300mbar Cu lub Ni SUBSTRATE
Możliwość przenoszenia grafenu z podłoża metalicznego
Doniesienia nt zastosowań Ekrany dotykowe (30 ) Folia Cu
4 cm GRAFEN 19
Grafen na Cu Nature Materials, Qingkai Yu, 2011 DOI: 10.1038/NMAT3010 Raman
1859 Brodie utlenianie grafitu w KClO 3 + HNO 3 C 2.19 H 0.80 O 1.00 1958 - Hummers & Offeman - utlenianie w KMNO 4 + H 2 SO 4 Eksfoliacja tlenku grafitu do tlenku grafenu (GO) ultradźwięki lub chemia Redukcja np. hydrazyna do monowarstwowych płatków grafenu 23
Modyfikacje chemiczne grafenu - teflon Zastosowania medyczne baterie; superkondensatory atrament przewodzący; itp grafen jako następca Si kompozyty, membrany Zastosowania grafenu wysokie częstotliwości, optoelektronika; MEMS;sensory elastyczna elektronika
ELEKTRONIKA Ruchliwość elektronów: Krzem: 1 500 cm 2 /Vs w 300K Grafen: 250 000 cm 2 /Vs w 300K Tranzystor z izolowanego grafenu
Ważny kierunek - ELEKTRONIKA ANALOGOWA Ruchliwość nośników 250 000 cm 2 /Vs 300K 1 000 000 cm 2 /Vs 4K Graphene FET (GFET) for THz: High mobility and carrier velocity Excellent electrostatic control GFET frequency multipliers: High spectrum purity ~94% and low noise without filtering demonstrated at 40 MHz GFET mixers: GFET zero-volt RF detector RF DEVICES 26
IBM skonstruował pierwszy układ scalony w oparciu o tranzystor z grafenu A) Schemat ideowy układu mieszacza częstotliwości radiowej 10 GHz B) Schemat montażowy Publikacja : Yu-Ming Lin et al., Wafer-Scale Graphene Integrated Circuit 10 JUNE 2011 VOL 332 SCIENCE
Current (ma) R/R o (%) Detektor wodoru (Univ. of Florida) 1.55 1.50 1.45 1.40 1.35 N 2 1% H 2 N 2 0.05V Bias @ 175 o C 1% H 2 1% H 2 1.30 0 700 1400 2100 2800 3500 4200 Time (s) N 2 N 2 0-10 -20 y = -[0.004(1-e -t/344 ) + 0.008(1-e -t/20.1 )] y = -[0.091(1-e -t/1740 ) + 0.132(1-e -t/27.7 )] -30-40 -50-60 -70 y = -[0.143(1-e -t/2130 ) + 0.770(1-e -t/58.4 )] -80 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Time (s) I = f (T) w (1%H 2 +99%N 2 ) przy stałym U= 0.05V
Doniesienia nt zastosowań Modulator światła (MIT, Berkeley Univ.) Porównanie wielkości modulatora konwencjonalnego z grafenowym (czerwona kropka)
Doniesienia nt zastosowań Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych Metal graphene metal (MGM) photodetectors with asymmetric metal contacts. Thomas Mueller, Fengnian Xia & Phaedon Avouris, Nature Photonics 4, 297-301 (2010) vertical-incidence metal graphene metal (MGM) photodetector external responsivity of 6.1 maw -1 at an operating wavelength of 1.55 mm
Supercapacitors. High surface area of chemical graphene make electrochemical supercapcitors possible(yan Wang et al. J.Phys.Chem.C 113,13103(2009))
Doniesienia nt zastosowań Conductive graphene ink VOR-INK SCREEN is specifically formulated for screen printing Graphene paper
Transparent conductive coatings -common electrodes -pixel electrodes -wiring in electronic products Requirements: Low sheet resistance High transmittance >90% Mechanical flexibility Chemical durability (Graphene: 30 Ω/sq.) (Graphene > 97.7% per layer) (Graphene : outstanding) (Graphene : outstanding) Touch screen displays: 50-300 Ω/sq. / 90% Graphene - bendable and rollable devices E-paper (colour) future electronic product Bending radius: 10-5 mm, neutral colour electrode, contact resistance graphene/metal!!! OLEDs : work function & electrode surface s roughness Sheet resistance <30 Ω/sq ESD 33
Graphene: -suspended: n=2x10 11 cm -2, m=200 000 cm 2 /Vs -on h-bn: n=5x10 11 cm -2, m=140 000 cm 2 /Vs - R = 156 Ω/sq. - R = 89 Ω/sq. -CVD intercalated by H 2 : n=2x10 13 cm -2, m=4 000 cm 2 /Vs - R = 78 Ω/sq. 20 000 15 ITO<10 Ω/sq. Columbic scatters -charge impurities -substrate Short range scatters -point defects -adatom adsorption -wrinkles -??????????
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ