Is Graphene--Finally--A Replacement for Silicon? / È il grafene - alla fine - un ricambio possibile ricambio per il Silicio?

Is Graphene--Finally--A 

Replacement for Silicon? / È

 il grafene - alla fine - un

 ricambio possibile ricambio

 per il Silicio?

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Joseph Cotellessa

Graphene—a material comprised of a single layer of carbon atoms, arranged in a 2D honeycomb-shaped lattice—exhibits superb optical, mechanical and electrical properties. Discovered in 2003, it has been found to have an extremely high electron mobility (250,000 cm²/Vs), and an extremely high thermal conductivity (5,000 W/m K), among other desirable properties. Graphene is well-suited to the electronics industry because of its high electrical conductivity. But researchers have aspired to use it as an unconventional transistor material, an idea that has eluded the scientific world since its discovery. The main reason graphene cannot be used as a transistor material is because it has a zero bandgap, making it more a conductor than a semiconductor.

To produce switching devices, like transistors, a bandgap is needed. The bandgap is the energy difference between the valence and the conduction bands in semiconductors and conductors. The existence of the bandgap allows the movement of electrons from the valence to the conduction bands and vice-versa, so the material can switch electrical currents on and off in devices such as in transistors. In graphene the valence and conduction bands meet, similar to typical metals, as shown in the figure.

Scientists have recently tried to create a gap by teasing the two bands apart. Some attempts have been able to produce bandgaps in the order of 100 milli-electron-volts (meV), but this is not enough to create electronic devices. A typical semiconductor’s bandgap is larger than 0.5 eV.

A group of researchers at the Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), within the Institute of Basic Science (IBS) in South Korea have developed a method to add hydrogen to graphene in order to improve its electronic and semiconductor behavior. Understanding how graphene chemically reacts with other materials will increase its utility as a future semiconductor material.

IBS researchers combine hydrogen – a reaction that is expected will increase the bandgap of graphene – by using a known method called “Birch-type reaction.” This is based on lithium dissolved in ammonia to introduce hydrogen into graphene through the formation of C-H bonds.

The IBS researchers found that hydrogenation takes place at a high rate in single-layer graphene, while it proceeds slowly in multi-layer graphene. But the most important find regarding changes in electronic properties is a significant change in optical as well as electric properties. This is a good sign for the future, given that hydrogenation is a simple and easy process.

"A primary goal of our Center is to undertake fundamental studies about reactions involving carbon materials. By building a deep understanding of the chemistry of single-layer graphene and a few layer graphene, I am confident that many new applications of chemically functionalized graphene could be possible, in electronics, photonics, optoelectronics, sensors, composites, and other areas," said Rodney Ruoff, the main researcher and CMCM director

Few-layer graphenes, supported on Si with a superficial oxide layer, were subjected to a Birch-type reduction using Li and H2O as the electron and proton donors, respectively. The extent of hydrogenation for bilayer graphene was estimated at 1.6–24.1% according to Raman and X-ray photoelectron spectroscopic data. While single-layer graphene reacts uniformly, few-layer graphenes were hydrogenated inward from the edges and/or defects. The role of these reactive sites was reflected in the inertness of pristine few-layer graphenes whose edges were sealed. Hydrogenation of labeled bilayer (12C/13C) and trilayer (12C/13C/12C) graphenes afforded products whose sheets were hydrogenated to the same extent, implicating passage of reagents between the graphene layers and equal decoration of each graphene face. The reduction of few-layer graphenes introduces strain, allows tuning of optical transmission and fluorescence, and opens synthetic routes to long sought-after films containing sp3-hybridized carbon.

ITALIANO

Il grafene è un materiale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, disposti in dimensione 2D con eccellenti proprietà ottiche, meccaniche ed elettriche con disposizioni reticolari a nido d'ape. Scoperto nel 2003, è stato trovato che ha una mobilità estremamente elevato di elettroni (250.000 cm2 / Vs), ed una estremamente elevata conducibilità termica (5000 W / m K), tra le altre proprietà desiderabili. Il grafene è particolarmente adatto per l'industria elettronica a causa della sua elevata conducibilità elettrica. Ma i ricercatori hanno aspirato ad usarlo come materiale per transistore non convenzionale, un'idea che ha deluso il mondo scientifico sin dalla sua scoperta. La ragione principale è che il grafene non può essere utilizzato come materiale per il transistore è perché ha un bandgap a zero, il che rende più un conduttore che un semiconduttore.

Per produrre dispositivi di commutazione, come transistori, è necessario una banda di energia. La banda di energia è la differenza di energia tra la valenza e le bande di conduzione nei semiconduttori e conduttori. L'esistenza della banda di energia permette il movimento degli elettroni dalla valenza alle bande di conduzione e viceversa, in modo che nel materiale possano passare correnti elettriche e venir disattivato in dispositivi come nei transistor. Nel grafene le bande di valenza e di conduzione si incontrano, simile ai  tipici metalli.

Gli scienziati hanno recentemente cercato di creare un intervallo di energia  in modo da distanziare le due bande. Alcuni tentativi sono stati in grado di produrre bande di energia nell'ordine di 100 milli-elettronvolt (MeV), ma questo non è sufficiente per creare dispositivi per elettronici. Una banda di energia di un semiconduttore tipico è maggiore di 0,5 eV.

Un gruppo di ricercatori del Centro per la multidimensionali materiali di carbonio (CMCM), presso l'Istituto di Scienze di base (IBS) in Corea del Sud ha sviluppato un metodo per aggiungere idrogeno pal grafene al fine di migliorare il suo comportamento elettronico e dei semiconduttori. La comprensione di come il grafene possa reagire chimicamente con altri materiali aumenterà la sua utilità come futuro materiale semiconduttore.

I ricercatori IBS combinano idrogeno - una reazione che si prevede aumenterà la banda di energia del grafene - ". La reazione è di tipo Birch" Questa si basa sul litio disciolto in ammoniaca per introdurre idrogeno nel grafene attraverso la formazione di legami C-H.

I ricercatori hanno scoperto che l'idrogenazione parte dell'IBS  avviene a un ritmo elevato in un grafene monostrato, mentre procede lentamente in grafene multistrato. Ma il ritrovamento più importante per quanto riguarda i cambiamenti nelle proprietà elettroniche è un cambiamento significativo nelle proprietà ottiche e elettriche. Questo è un buon segno per il futuro, dato che l'idrogenazione è un processo semplice e facile.

"Un obiettivo primario del nostro Centro è quello di avviare studi fondamentali sulle reazioni che coinvolgono materiali di carbonio. Con la costruzione di una profonda comprensione della chimica del grafene monostrato e del grafene con pochi strati, sono fiducioso che molte nuove applicazioni del grafene chimicamente funzionalizzato potrebbero essere possibile, in elettronica, fotonica, optoelettronica, sensori, compositi, e altre aree ", ha detto Rodney Ruoff, il ricercatore principale e direttore CMCM

Il graphene con pochi strati, supportati su Si con uno strato di ossido superficiale, sono stati sottoposti ad una riduzione Birch tipo utilizzando Li e H2O come donatori di elettroni e protoni, rispettivamente. La portata di idrogenazione per doppio strato di grafene è stato stimato a 1,6-24,1%, secondo i dati a raggi X, fotoelettroni e spettroscopia Raman. Mentre il grafene monostrato reagisce uniformemente, il graphene con pochi strati sono stati idrogenati verso l'interno dai bordi e / o difetti. Il ruolo di questi siti reattivi si è riflesso nella inerzia dei grafeni con  pochi strati incontaminati i cui bordi sono stati sigillati. L'idrogenazione del doppio strato marcato (12C / 13C) e grafeni a tre strati (12C / 13C / 12C) sono stati prodotti i cui fogli sono stati idrogenati nella stessa misura, che implica il passaggio dei reagenti tra gli strati di grafene e ogni faccia del grafene concessa. La riduzione di grafene a pochi strati permette la sintonizzazione di trasmissione ottica e fluorescenza, e apre vie sintetiche a lungo ricercate di film contenenti carbonio  ibridato .sp3

Da:

http://electronics360.globalspec.com/article/7655/is-graphene-finally-a-replacement-for-silicon?id=-1474234620&uh=f9d092&email=giuseppe%2Ecotellessa%40enea%2Eit&md=161123&mh=6fd4dc&Vol=Vol1Issue38&Pub=114&LinkId=1833137&keyword=link_1833137&et_rid=1808050309&et_mid=83302758&frmtrk=newsletter&cid=nl

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b08625