Главное препятствие на пути перспективного материала графена в микроэлектронику — не его синтез, а перенос на рабочую подложку. Традиционный полимер ПММА оставляет дефекты, сводя на нет уникальные свойства материала. Ученые из трех российских вузов нашли замену этому полимеру, снизив сопротивление графена почти в 18 раз. Разработка открывает путь к более быстрым и энергоэффективным микрочипам и гибким электронным устройствам.

Графен, одноатомный слой углерода с уникальной электропроводностью и механической прочностью, уже более полутора десятилетий рассматривается как один из самых перспективных материалов для посткремниевой электроники. Однако его путь от лабораторного феномена до серийного производства микрочипов и гибких устройств упирается в технологический барьер: графен нельзя просто «нанести» на нужную поверхность. Его приходится синтезировать на металлических подложках, а затем переносить на диэлектрические или полупроводниковые пластины — и именно на этом этапе материал теряет свои выдающиеся свойства. Группа исследователей из российских вузов — Университета МИСИС, РУДН и РХТУ — предложила решение, способное изменить ситуацию, заменив ключевой полимер в процессе переноса и снизив электрическое сопротивление готового графена почти в 18 раз.

Классический метод переноса, ставший отраслевым стандартом, использует в качестве временной опорной пленки полиметилметакрилат (ПММА). Этот полимер наносится на выращенный графен, после чего металлическая подложка вытравливается, а пленка с графеном переносится на целевую поверхность — например, на кремниевую пластину. Затем ПММА удаляют растворителем. Но, как поясняют авторы работы, этот подход принципиально несовершенен: полимер не растворяется полностью, его остатки неизбежно остаются на поверхности графена, а в ряде случаев вступают с ним в химическое взаимодействие. В результате в атомарно тонком слое появляются дефекты, трещины и загрязнения, которые резко ухудшают электропроводность и сводят на нет все преимущества материала.

Российские ученые предложили заменить ПММА на полибутилметилакрилат (ПБМА). Этот полимер, как показали эксперименты, взаимодействует с поверхностью графена значительно слабее, что критически важно для сохранения его кристаллической структуры. Благодаря более слабому межмолекулярному взаимодействию ПБМА наносит меньше повреждений при нанесении и последующем удалении, а также оставляет после себя существенно меньше загрязнений. Результат говорит сам за себя: графен, перенесенный с использованием нового полимера, продемонстрировал превосходную однородность, минимальное количество трещин и, что самое важное для микроэлектроники, сопротивление, сниженное почти в 18 раз по сравнению с традиционным методом. Этот параметр напрямую определяет быстродействие и энергоэффективность будущих сенсоров, микрочипов и высокочастотных устройств: чем ниже сопротивление, тем быстрее сигнал и меньше тепловые потери.

Кроме того, предложенный подход упрощает всю технологическую цепочку. Полибутилметилакрилат синтезируется из более доступного исходного вещества — бутилметакрилата, что делает его получение в лабораторных условиях менее затратным и более технологичным. Исследование также показало, что использование ацетона в качестве растворителя для ПБМА обеспечивает оптимальный баланс между качеством переноса и безопасностью процесса, что немаловажно для масштабирования технологии.

• Поиски альтернатив ПММА ведутся в исследовательских центрах по всему миру, что подчеркивает остроту проблемы. Международное научное сообщество активно тестирует различные полимеры и даже полностью беcполимерные подходы. Например, в одной из недавних работ изучалось использование этиленвинилацетата (ЭВА), который при нагревании в водяной бане позволяет снизить плотность складок и разрывов в графене. Другое перспективное направление — применение биоразлагаемых полимеров, таких как полиангеликалактон (PAL) на основе возобновляемого сырья: его удаление с поверхности графена занимает менее 30 минут и может осуществляться даже с помощью дрожжевых грибков, что открывает путь к «зеленым» нанотехнологиям. В 2024 году был представлен принципиально иной подход, использующий летучее микромолекулярное соединение циклододекан, которое позволяет переносить графен вообще без полимера, достигая целостности пленки до 99% для размеров менее 10 микрометров. Также разрабатываются методы с использованием полиакрилонитрила (PAN) для переноса графена на пластины большого диаметра.

На этом фоне разработка российских ученых выглядит не как экзотическая лабораторная находка, а как прагматичное и технологичное решение, которое может быть относительно быстро интегрировано в существующие производственные линии. Она не требует полного пересмотра технологии, а предлагает замену ключевого реагента, дающую немедленный и измеримый выигрыш в качестве. Снижение сопротивления в 18 раз — это не просто цифра в отчете, это потенциальный скачок в производительности гибкой электроники, высокоскоростных вычислительных устройств и чувствительных датчиков. Проблема чистого и неповреждающего переноса графена существует столько же, сколько сам графен используется в прикладных исследованиях. Предложенный подход, основанный на применении полибутилметилакрилата, представляет собой важный шаг к тому, чтобы превратить графен из материала будущего в материал настоящего, доступный для крупносерийного производства микроэлектроники.

Михаил Петровский, использовано фото НИТУ МИСиС