2004年にグラフェンが発見され、その特性が説明されたため、2010年にはクリエイターであるGameとNovoselovがノーベル賞を受賞しましたが、その発見から10年が経過した後、フォロワーは潤滑剤から真空トランジスタまで、このようなユニークな材料のさまざまなアプリケーションを集中的に実装および提供しています。
今年の初めに、 「グラフェン-生か死か？」という記事が公開されました。この記事では、将来のマイクロエレクトロニクスの基礎として、グラフェンの普及とその一部の結果を理解しました。 さて、グラフェンの導入の一部として、科学者が今日私たちに提供できるものを見てみましょう。
グラフェンのクイックリファレンス
グラフェンは、sp 2混成炭素原子で構成される2次元の材料であり、物理学の観点から興味深い多くの特性を持っています。
それらの中で最も重要でユニークなのは、電気的特性です。 一方、グラフェンは、 バンドギャップが実質的にゼロで、電子とホールが非常に軽いため、理想的な伝導体となり、惑星上の他の物質よりも速く信号を伝えることができます。 しかし、炭素原子のsp 2ハイブリダイゼーションにより、例えば、絶縁体または半導体を得るために、その修飾を行うこともできます。 さらに、導電状態と半導体状態の間の遷移は、グラフェンリボンの幅に依存します。
一方、弾力性があります。つまり、曲がりますが、ユニークで達成不可能な引張強さを示しています-最大1000 GPaで、これは鋼鉄のほぼ100倍です。 巻き上げられたグラフェンはカーボンナノチューブであり、電子デバイスでも使用できます。 その直径は1.5 nmから数百nmまで変化します。
そして最後に、グラフェンは透明です。つまり、主にインドのために、現代のディスプレイと一部のLEDのITOの高価なものの代替として単純に理想的です。 ただし、2次元システム自体は安定していません。 したがって、あらゆる表面に完全に均一なグラフェンコーティングを作成するという問題は、科学的および技術的な困難な課題です。
おそらく、最後のプロパティから始めます。
LEDまたはグラフェンベースのLED
レマロチカ。 LEDをそのように考えると（例えば、電球の場合）、電極としてITO基板を必要としない可能性があり、最も薄い金属接点はこれを比較的うまく行うことができます（これについては別の記事で書きました ）。 ただし、LEDの配列にディスプレイを作成する場合は、この場合、ディスプレイのパフォーマンスを改善するなど、ITOの交換が非常に望ましく有用です。
したがって、グラフェンをさまざまな基板にコーティングする工業的方法の1つは、PECVD（またはプラズマ化学蒸着 ）です。 この技術は、メタンキャリアガスの「注入」と、それに続く無線周波放射の影響下での加熱と、冷たい基板への炭素の堆積から成ります。
ソウル大学の科学者グループが、グラフェンからこのコーティング方法を装備し、グラフェンの基板から基板への移動段階をバイパスして明るい青色のダイオードを直接作成する方法を提供します。 このようなLEDでは、高価なITOがより安価なグラフェン基板に置き換えられ、窒化ガリウムが発光層として使用されます。これは業界の標準です。
左からPECVDインストール図。 ダイオードのレイアウトと基本材料。 ダイオードの電流電圧特性
もちろん、PECVDプロセスの期間を変えることにより、異なる厚さのグラフェンのコーティングを得ることができ、それに応じて、異なる光透過率を得ることができます。 ただし、下図に示すように、レイヤーの最小数により、LEDが発する光のほぼ100％の透過率が得られ、その結果、外部電流出力が大きくなります。
LEDパイケーキの断面図：サファイア基板からLED表面の5-6グラフェン層まで
著者らはまた、通常は成長に使用されるグラフェンを、最終デバイスにすでに存在する別の基板に転写する従来の技術との再現性および比較についてもテストしました。
ac）単一サイクルで結果の再現性をテストします。 de）直接堆積（DG）および転写、グラフェンの基板から基板への転写（TG）によって得られたグラフェンベースのLEDの比較
結果はそれ自体を物語っています。出力電力の比較的小さな広がりにより、結果として生じるLEDは、所定の電流での最大電力において通常の「標準」技術よりも自信を持って進んでいます（図eの比較）。
ACSNanoのオリジナル記事（DOI：10.1021 / nn405477f）
ウェアラブルエレクトロニクス向けのグラフェンRF-FET
衣服に組み込まれ、いかなる点でも注目されない真にウェアラブルな電子機器の主な問題は、柔軟性と特定の特性の組み合わせです。 次の2つの記事の科学者は、この問題の解決策を見つけることに専念しました。
これらの最初のもので、台湾の著者は、フレキシブル基板上に電界効果トランジスタを作成する興味深い方法を提案しました。これは、ウェアラブル電子機器の個々の要素間の通信の基礎になる可能性があります。
グラフェンを柔軟なPET基板に転写し、シャッターを作るための少量のアルミニウムと生命を与える酸素を一滴垂らします。 リソグラフィーを使用して、アルミニウムのシャッターをグラフェンのストリップに適用し、デバイスを純粋なO 2の追加の雰囲気のあるチャンバー内に置きます。 何もする必要さえありません。化学と拡散がすべての仕事をしてくれ、アルミニウムとグラフェンの間に誘電体のブロッキング層を形成します。 その後は、「ダスト」、つまり、連絡先自体を適用するだけです。
グラフェントランジスタのロッキング誘電体層の製造のためのかなりシンプルで興味深いスキーム
そして出来上がり、トランジスタアセンブリは準備ができています。 これは、電子顕微鏡の目を通して見る方法です。
電界効果トランジスタを備えた基板の光学写真（a）および走査型電子顕微鏡により得られたトランジスタ自体の画像
グラフェンベースの電界効果トランジスタのこのサンプルをテストするというかなり退屈な技術的詳細に読者を飽きさせないために、すぐに開発の潜在的なアプリケーションに目を向けさせてください。 この研究の著者は、得られた電界効果トランジスタに基づいて周波数ミキサーを組み立て、機械的変形時も含めてテストしました。
周波数ミキサーの動作原理については、 こちらをご覧ください 。 図の簡単な説明：LOは変換が実行される既知の変調されていない周波数、RFは変換/変調される周波数、IFは低周波信号と高周波信号の供給と受信に使用されます。
a）電界効果トランジスタに基づく周波数ミキサーの概略図。 b）無線周波数スペクトル。 cd）無線周波数特性
これは私たちに何を与えますか？！ そして、それは、例えば、スマート服の中の個々のデバイス間のNFC通信などに使用できる、高周波技術の完全に小さな変換要素を提供します。
ACSNanoのオリジナル記事（DOI：10.1021 / nn5036087）
そして、ウェアラブルエレクトロニクスのトピックに触れたので、グラフェンベースのファブリックに電界効果トランジスタを作成する例を見てみましょう。
完全にグラフェンを曲げて
韓国の科学者の別のグループは、再び特殊なエポキシ樹脂からなる極薄ポリマー基板上にグラフェン極薄トランジスタを作成する方法を提案しました。
まず、最も薄いポリマー層（SU-8）を、グラフェントランジスタが既に「印刷」されている二酸化ケイ素の層でコーティングされた従来のシリコン基板に適用し、その後、SiO 2層を単純に溶解し、それによって最も薄いフィルムを基板から分離します。 この場合、フィルムは、布地や皮膚を含むほぼすべての表面に転写できます。 総膜厚は100 nm未満です！
極薄電界効果トランジスタで薄膜を作成するプロセス
しかし、このような転送ではどのような問題が待ち受けていますか？ そうです、これは表面の均一性ではありません。曲げ、亀裂、折り目-布の表面にしか存在できないものすべてです。 結局、トランジスタのジオメトリを変更すると、電荷の移動度やゲート上の電界の分布など、輸送特性が変化します。つまり、同じ公称電圧で、曲がった状態のトランジスタが突然電流を流し始めることがわかります。変形しないとロックされます。
幸いなことに、これらの問題はすべて回避されました。その結果、トランジスターの位置（屈曲部またはファブリックの平らな面）は、トランジスター自体の電気的挙動に大きな影響を与えないことがわかりました。
さまざまな場所でトランジスタをテストする
布を半分に曲げる、伸ばす、折り畳むだけでなく：
曲げ、ねじり、伸びのトランジスタテスト
そして、科学者たちは、考え直すことなく、開発したテクノロジーを使用して、9 kPaのタッチを認識することができる触覚センサーを作成することを決定しました。
0.1 kgf / cm 2を認識できる触覚センサー
この技術は、心拍数や酸素レベルなどのウェアラブルで不快感のないセンサーなど、アプリケーションに特別な機器を必要としないため（貼り付けたり忘れたりしたり）、スマートな衣服に用途を見つけることができます。 しかし、おそらく-
ACSNanoのオリジナル記事（DOI：10.1021 / nn503446f）
UPD：ロシアのグラフェンに関するノーベル賞受賞者の記事へのリンクを提供してくれたkoreecに感謝します。
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