Rewolucja w elektronice. Układy z grafenu coraz bliżej

Krzem to główny materiał do budowy współczesnych układów scalonych, jednak powoli dochodzimy do jego granicy możliwości technologicznych - wkrótce nie będzie można produkować mniejszych i wydajniejszych tranzystorów. Konieczne jest wybranie nowego materiału, który mógłby zastąpić krzem. Jednym z najbardziej obiecujących kandydatów do tej roli wydaje się być grafen.

Przełom w badaniach nad grafenem

Jedną z największych przeszkód w badaniach nad grafenem (a przy okazji jeden z głównych powodów, dla którego wielu uważało, że elektronika grafenowa nigdy nie będzie działać) było pasmo wzbronione, czyli kluczowa własność urządzeń elektronicznych, która umożliwia włączania i wyłączanie półprzewodników. Tak działa cała elektronika oparta na krzemie. 

Głównym pytaniem w badaniach nad elektroniką z grafenu było to, jak go włączać i wyłączać, aby mógł działać jak krzem. Uważano, że grafen nie miał pasma wzbronionego – aż do teraz.

Przełomu dokonali naukowcy z Georgia Institute of Technology, którym udało się stworzyć pierwszy na świecie funkcjonalny półprzewodnik wykonany z grafenu. Badaniom przewodniczył Walter de Heer profesor fizyki Regents w Georgia Tech, który kierował zespołem naukowców z Atlanty w stanie Georgia i Tianjin w Chinach.

"Długotrwały problem w elektronice grafenowej polegał na tym, że grafen nie miał odpowiedniej przerwy pasmowej i nie mógł włączać się i wyłączać w odpowiednim stosunku" - powiedział Lei Ma, dyrektor Międzynarodowego Centrum Nanocząstek i Nanosystemów na Uniwersytecie Tianjin w Chinach. "Przez lata wiele osób próbowało rozwiązać ten problem różnymi metodami. Nasza technologia osiąga przerwę w paśmie i jest kluczowym krokiem w realizacji elektroniki opartej na grafenie".

Obejrzyj w

De Heer dokonał przełomu, gdy wraz ze swoim zespołem odkrył, jak wytworzyć grafen na płytkach z węglika krzemu przy użyciu specjalnych pieców. Wyprodukowali w ten sposób grafen epitaksjalny, który jest pojedynczą warstwą rosnącą na powierzchni kryształu węglika krzemu.

Naukowcy umieścili w grafenie atomy, które oddają elektrony do układu - jest to technika zwana dopingiem, stosowana w celu sprawdzenia, czy materiał jest dobrym przewodnikiem. Takie rozwiązanie działało bez szkody dla materiału i jego właściwości.

To jak porównanie jazdy po żwirowej drodze z jazdą po autostradzie

- Walter de Heer profesor fizyki Regents w Georgia Tech

Opracowana konstrukcja jest obecnie jedynym dwuwymiarowym półprzewodnikiem posiadającym wszystkie właściwości niezbędne do zastosowania w nanoelektronice. Pomiary zespołu wykazały, że półprzewodnik grafenowy ma 10 razy większą ruchliwość niż krzem. Szczegóły opisano w artykule "Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide" w czasopismie naukowym w Nature.

Rewolucja w elektronice

Grafen epitaksjalny może spowodować zmianę paradygmatu w elektronice i pozwolić na zupełnie nowe technologie wykorzystujące jego unikalne właściwości. Nowa technologia pozwoli budować mniejsze i wydajniejsze układy.

"Nasza motywacja do stworzenia grafenowej elektroniki istniała od dawna, a reszta była po prostu jej urzeczywistnieniem" - powiedział de Heer. "Musieliśmy nauczyć się, jak obrabiać materiał, jak go ulepszać i wreszcie jak mierzyć jego właściwości. To zajęło bardzo, bardzo dużo czasu".

Co więcej, materiał umożliwia wykorzystanie właściwości fal kwantowo-mechanicznych elektronów, co jest wymogiem w obliczeniach kwantowych.

Źródło: Georgia Tech