Используя атомы углерода, нанесенные на графен с помощью процесса сфокусированного электронного пучка, Федоров и его сотрудники продемонстрировали технику создания динамических узоров на поверхности графена. Шаблоны можно использовать для создания реконфигурируемых электронных схем, которые развиваются в течение нескольких часов, прежде чем в конечном итоге перейти в новое электронное состояние графена. Графен также состоит из атомов углерода, но в очень упорядоченной форме.
Как сообщается в журнале Nanoscale, исследование было в первую очередь поддержано Университетом США.S. Управление науки Министерства энергетики и участие в сотрудничестве с исследователями из Исследовательской лаборатории ВВС (AFRL) при поддержке Управления научных исследований ВВС.
Помимо возможности изготовления исчезающих цепей, технология может использоваться как форма высвобождения по времени, при которой рассеяние углеродных структур может управлять другими процессами, такими как высвобождение биомолекул.
«Теперь мы сможем рисовать электронные схемы, которые развиваются с течением времени», – сказал Андрей Федоров, профессор Джорджа В. Школа машиностроения Вудраффа в Технологическом институте Джорджии. "Вы могли бы разработать схему, которая сейчас работает в одном направлении, но после того, как вы подождете день, пока углерод рассеется по поверхности графена, у вас больше не будет электронного устройства.
Сегодня устройство могло бы делать одно; завтра он сделает что-то совершенно другое."
Проект начался как способ очистки от углеводородов, загрязняющих поверхность графена. Но вскоре исследователи поняли, что могут использовать его для создания узоров, используя аморфный углерод, полученный посредством «письма» электронного луча, в качестве легирующей примеси для создания отрицательно заряженных участков графена.
Первоначально исследователи были озадачены, обнаружив, что их новообразованные паттерны со временем исчезли.
Они использовали электронные измерения и атомно-силовую микроскопию, чтобы подтвердить, что углеродные узоры перемещались по поверхности графена, чтобы в конечном итоге сформировать однородное покрытие по всей поверхности графена. Изменение обычно происходит в течение десятков часов и в конечном итоге преобразует положительно заряженные (легированные p) поверхностные области в поверхности с однородно отрицательным зарядом (n-легированные), образуя промежуточную область p-n-перехода в ходе этой эволюции.
«Электронные структуры постоянно меняются с течением времени», – пояснил Федоров. "Это дает вам реконфигурируемое устройство, тем более, что наше осаждение углерода осуществляется не с использованием объемных пленок, а, скорее, с помощью электронного луча, который используется для рисования там, где вы хотите, чтобы существовал отрицательно легированный домен."
Графен состоит из атомов углерода, расположенных в плотной решетке.
Уникальная структура обеспечивает привлекательные электронные свойства, которые привели к широкому изучению графена как потенциального нового материала для передовых электронных приложений.
Но графен по-прежнему состоит из атомов углерода, и когда узоры наносятся на поверхность с обычными атомами углерода, они начинают медленно мигрировать по поверхности графена.
Скорость, с которой движутся атомы, можно регулировать, изменяя температуру или создавая структуры, которые направляют движение атомов. Атомы углерода также можно «заморозить» в фиксированный узор с помощью лазера, чтобы преобразовать их в графит – еще одну форму углерода.
«Есть несколько способов модулировать динамическое состояние, изменяя температуру, потому что это контролирует скорость диффузии углерода, направляя поток атомов или изменяя углеродную фазу», – сказал Федоров. «Углерод, осажденный посредством процесса осаждения, индуцированного сфокусированным электронным пучком (FEBID), очень слабо связан с графеном посредством ван-дер-ваальсовых взаимодействий, поэтому он подвижен."
Помимо потенциальных приложений безопасности для исчезающих цепей, Федоров видит возможность упрощенных механизмов управления, которые будут использовать диффузные шаблоны для отключения процессов через заданные интервалы.
Этот метод также можно использовать для определения времени выпуска фармацевтических препаратов или других биомедицинских процессов.
«Вы можете записывать информацию в единицах и нулях с помощью электронного луча, использовать устройство для передачи информации, и через два часа информация исчезнет», – сказал он. "Вместо того, чтобы полагаться на сложные алгоритмы управления, которые должен выполнять микропроцессор, изменяя динамическое состояние или саму электронную систему, ваша программа может стать очень простой.
Возможно, существуют определенные активированные, запущенные процессы, которые могут выиграть от такого поведения, при котором электронное состояние непрерывно изменяется с течением времени."
Федоров и его сотрудники пока показали только способность создавать простые паттерны заряженных доменов в графене.
Их следующим шагом будет использование своих p-n-переходов для создания устройств, которые будут работать в течение определенных периодов времени.
Федоров признает, что этот динамический углеродный узор может стать проблемой для инженеров-электриков, привыкших к статическим устройствам, которые день за днем выполняют одни и те же функции. Но он думает, что некоторые найдут полезные применения этому новому явлению.
«Мы сделали важный шаг в открытии и понимании», – сказал он. «Следующим шагом будет демонстрация сложного и уникального приложения, которое иначе было бы невозможно реализовать с помощью обычной схемы.
Это принесло бы совершенно новый уровень азарта этому."
Это исследование было поддержано U.S.
Министерство энергетики (DOE), Управление науки, фундаментальные энергетические науки (BES), в рамках награды DE-SC0010729 и Управления научных исследований ВВС США (AFOSR) через премию центра BIONIC FA9550-09-1-0162. Комментарии и выводы принадлежат авторам и не обязательно отражают официальную точку зрения DOE или AFOSR.