Europæiske forskere gør gennembrud i udviklingen af ​​supermateriale grafen

(PhysOrg.com) - Et kollaborativt forskningsprojekt har bragt verden et skridt tættere på at producere et nyt materiale, som fremtidig nanoteknologi kan baseres på. Forskere i hele Europa, herunder Storbritanniens National Physical Laboratory (NPL), har demonstreret, hvordan et utroligt materiale, grafen, kunne indeholde nøglen til fremtiden for højhastighedselektronik, såsom mikro-chips og touchscreen-teknologi.

Grafen har længe vist potentiale, men er tidligere kun blevet produceret i meget lille skala, begrænse, hvor godt det kunne måles, forstået og udviklet. Et blad udgivet den 17. januar, i Natur nanoteknologi forklarer, hvordan forskere har, for første gang, produceret grafen til en størrelse og kvalitet, hvor det praktisk talt kan udvikles, og målte dens elektriske egenskaber med succes. Disse betydelige gennembrud overvinder to af de største barrierer for at opskalere teknologien.

En teknologi til fremtiden

Grafen er en relativt ny form for kulstof, der består af et enkelt lag af atomer arrangeret i et bikageformet gitter. På trods af at det er et atom tykt og kemisk enkelt, grafen er ekstremt stærk og meget ledende, gør den ideel til højhastighedselektronik, fotonik og videre.

Grafen er en stærk kandidat til at erstatte halvlederchips. Moores lov bemærker, at tætheden af ​​transistorer på et integreret kredsløb fordobles hvert andet år, men silicium og andre eksisterende transistormaterialer menes at være tæt på minimumsstørrelsen, hvor de kan forblive effektive. Grafentransistorer kan potentielt køre med højere hastigheder og klare højere temperaturer. Grafen kunne være løsningen til at sikre, at computerteknologi fortsætter med at vokse i kraft, mens den skrumper i størrelse, forlængelse af Moores lov med mange år.

Store mikrochipproducenter som IBM og Intel har åbent udtrykt interesse for potentialet i grafen som et materiale, som fremtidig databehandling kan baseres på.

Graphene har også potentiale for spændende nye innovationer såsom touchscreen-teknologi, LCD-skærme og solceller. Dens enestående styrke og gennemsigtighed gør den perfekt til disse applikationer, og dens ledningsevne ville give en dramatisk stigning i effektiviteten på eksisterende materialer.

Vokser til en brugbar størrelse, mens kvaliteten bevares

Indtil nu er grafen af ​​tilstrækkelig kvalitet kun blevet produceret i form af små flager med små fraktioner på en millimeter, ved hjælp af omhyggelige metoder såsom at skrælle lag af grafitkrystaller med klæbende tape. At producere brugbar elektronik kræver, at der dyrkes meget større materialearealer. Dette projekt så forskere, for første gang, producere og med succes drive et stort antal elektroniske enheder fra et betydeligt område af grafenlag (ca. 50 mm ² ).

Grafenprøven, blev produceret epitaksialt - en proces med at dyrke et krystallag på et andet - på siliciumcarbid. At have en så stor prøve viser ikke kun, at det kan gøres i en praktisk, skalerbar måde, men gjorde det også muligt for forskerne bedre at forstå vigtige egenskaber.

Måling af modstand

Det andet centrale gennembrud for projektet var at måle grafens elektriske egenskaber med en hidtil uset præcision, baner vejen for, at der kan etableres bekvemme og nøjagtige standarder. For at produkter såsom transistorer i computere skal fungere effektivt og være kommercielt levedygtige, producenter skal være i stand til at foretage sådanne målinger med en utrolig nøjagtighed i forhold til en aftalt international standard.

Den internationale standard for elektrisk modstand er leveret af Quantum Hall Effect, et fænomen, hvor elektriske egenskaber i 2D-materialer kun kan bestemmes ud fra naturens fundamentale konstanter.

Effekten har, indtil nu, kun blevet demonstreret med tilstrækkelig præcision i et lille antal konventionelle halvledere. Desuden, sådanne målinger kræver temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, kombineret med meget stærke magnetfelter, og kun få specialiserede laboratorier i verden kan opnå disse betingelser.

Grafen blev længe tippet til at give en endnu bedre standard, men prøver var utilstrækkelige til at bevise dette. Ved at producere prøver af tilstrækkelig størrelse og kvalitet, og præcist demonstrere Hall -modstand, teamet beviste, at grafen har potentiale til at erstatte konventionelle halvledere i masseskala.

Desuden viser grafen Quantum Hall Effect ved meget højere temperaturer. Dette betyder, at grafenresistensstandarden kan bruges meget bredere, da flere laboratorier kan opnå de betingelser, der kræves for dens brug. Ud over fordelene ved driftshastighed og holdbarhed, dette ville også fremskynde produktionen og reducere omkostningerne ved fremtidig elektronikteknologi baseret på grafen

Prof Alexander Tzalenchuk fra NPL's Quantum Detection Group og hovedforfatteren på Nature Nanotechnology-papiret bemærker:"Det er virkelig sensationelt, at et stort område med epitaksial grafen ikke kun demonstrerede strukturel kontinuitet, men også graden af ​​perfektion, der kræves for præcise elektriske målinger på niveau med konventionelle halvledere med en meget længere udviklingshistorie."

Hvor nu?

Forskerholdet nøjes ikke med at efterlade det der. De håber at fortsætte med at demonstrere endnu mere præcis måling, samt nøjagtig måling ved endnu højere temperaturer. De søger i øjeblikket EU-midler til at drive dette fremad.

JT Janssen, en NPL Fellow, der arbejdede på projektet, sagde:"Vi har lagt grunden til fremtiden for grafenproduktion, og vil i vores løbende forskning stræbe efter at give større forståelse for dette spændende materiale. Udfordringen for industrien i de kommende år bliver at skalere materialet op på en praktisk måde for at imødekomme nye teknologiske krav. Vi har taget et stort skridt fremad, og når fremstillingsprocesserne er på plads, vi håber, at grafen vil tilbyde verden et hurtigere og billigere alternativ til konventionelle halvledere."

Quantum Hall-effekten

Dette vises, hvor en elektrisk strøm strømmer gennem et todimensionelt materiale i et vinkelret magnetfelt, og spændingen i materialet måles vinkelret på både strømmen og feltet. Inden for visse periodiske feltintervaller, forholdet mellem denne tværspænding og strømmen, kendt som Hall-modstanden, er kun bestemt af en kendt kombination af fundamentale naturkonstanter - Plancks konstant h og elektronladningen e.

På grund af denne universalitet, Quantum Hall-effekten danner grundlaget for modstandsstandarden i princippet uafhængig af en bestemt prøve, materiale eller måleopsætning.

Quantum Hall-effekten har, indtil nu, kun blevet demonstreret nøjagtigt med tilstrækkelig præcision i et lille antal konventionelle halvledere, såsom Si og gruppe III-V heterostrukturer. På grund af sin unikke elektroniske struktur, grafen blev længe tippet for at give en endnu bedre standard, men den lille størrelse af grafenflager og utilstrækkelig kvalitet af tidlige grafenfilm tillod ikke at udføre nøjagtige målinger.