Nanopatterning of graphene using block copolymer lithography

Graphene is a single atomic plane of graphite. It was obtained for the first time in the free state by Andre Geim and Konstantin Novoselov in 2004, using the quite naive scotch tape technique. This and other “groundbreaking experiments regarding graphene" won them the Nobel prize in 2010. Graphene has amazing electronic properties but also an important limitation: it's a zero bandgap semimetal (which made it unsuitable for transistors). One way to overcome this problem consist in reducing graphene in quasi-1D geometry, referred as graphene nanoribbons. Considering the limitation of conventional lithography, a bottom-up approach based on self-assembly could be a valid strategy to produce dense array of nanoribbons. This is the approach tried in this work. The spontaneous organization of the diblock copolymer (PS-b-PMMA) in ordered microdomains was guided by a functionalized surface (achieved with an alkanethiols Self-assembled Monolayer), in order to obtain a lamellar morphology (with features size of 20 nm). The selective removing of one of the the two polymers by chemical etching (either plasma or wet etching) led to the creation of a nanolithographic template, subsequently transferred to the underlying graphene by physical etching (ion beam milling). The lamellar graphene so obtained was characterized electrically and with Raman spectroscopy. Although the properties of the obtained lamellae weren't excellent (they didn't showed up the ambipolar effect and resulted affected by disorder), this work gives a further evidence of the feasibility of the the nanolithograpic block copolymer technique applied to graphene.

Il grafene e' un singolo piano atomico di grafite. Il primo strato isolato di grafene fu ottenuto da Andre Geim e Konstantin Novoselov nel 2004, utilizzando una tecnica piuttosto semplice quale l'esfoliazione micromeccanica mediante nastro adesivo. Questo e altri “esperimenti innovativi sul materiale bidimensionale grafene” valsero loro il premio Nobel nel 2010. Il grafene possiede straordinarie proprietà elettroniche (quali un'elevata mobilità, portatori privi di massa, trasporto balistico) ma ha anche un limite importante: è un semimetallo a gap nulla (il che lo rende non adatto per i transistors). Un modo per superare questo problema consiste nel ridurre il grafene in strutture quasi-1D, che prendono il nome di Nanoribbons di grafene. Considerati i limiti della litografia convenzionale, un approccio bottom-up basato sul fenomeno dell'auto-assemblaggio potrebbe essere una valida strategia per produrre array densi di nanoribbons. Questo e' l'approccio tentato in questo lavoro. L'organizzazione spontanea in microdomini ordinati da parte del copolimero a blocchi (PS-b-PMMA) e' stata guidata da una superficie funzionalizzata (mediante un monostrato autoassemblante di alcanetioli), in modo da indurre una morfologia lamellare (con dimensioni caratteristiche di 20 nm). La rimozione selettiva di uno dei due polimeri mediante etching chimico (plasma o wet etching) ha permesso la creazione di una template nanolitografico, successivamente trasferito al grafene sottostante mediante etching fisico (ion beam milling). Il grafene lamellare così ottenuto è stato caratterizzato elettricamente e mediante spettroscopia Raman. Nonostante le sue proprietà non sono risultate eccelse (le lamellae non hanno manifestato l'effetto ambipolare e sono risulate affette da disordine), il lavoro svolto ha fornito un'ulteriore prova della possibilità di utilizzare la nanolitografia mediante copolimeri a blocchi applicata al grafene.