Graphene 2.0:En ny tilgang til at lave et unikt materiale

Siden dens opdagelse, grafen - et usædvanligt og alsidigt stof sammensat af et enkeltlags krystalgitter af kulstofatomer - har forårsaget meget begejstring i det videnskabelige samfund. Nu, Nongjian(NJ) Tao, en forsker ved Biodesign Institute ved Arizona State University har ramt på en ny måde at fremstille grafen på, maksimere materialets enorme potentiale, især til brug i højhastigheds elektroniske enheder.

Sammen med samarbejdspartnere fra Tysklands Max Planck Institut, Institut for Materialevidenskab og Teknik, University of Utah, og Tsinghua University, Beijing, Tao skabte en grafentransistor bestående af 13 benzenringe.

Molekylet, kendt som en coronen, viser et forbedret elektronisk båndgab, en egenskab, som kan være med til at overvinde en af ​​de centrale forhindringer for at anvende grafenteknologi til elektronik. Gruppens arbejde vises i den avancerede onlineudgave den 29. juni af Naturkommunikation .

Til sidst, grafenkomponenter kan finde vej til en bred vifte af produkter, fra lasere til ultrahurtige computerchips; ultrakondensatorer med hidtil usete lagerkapaciteter; værktøjer til mikrobiel påvisning og diagnose; fotovoltaiske celler; kvantecomputerapplikationer og mange andre.

Som navnet antyder, grafen er nært beslægtet med grafit. Hver gang en blyant trækkes hen over en side, små fragmenter af grafen udskilles. Når korrekt forstørret, stoffet ligner et hønsenet i atomare størrelse. Ark af materialet har exceptionelle elektroniske og optiske egenskaber, hvilket gør den yderst attraktiv til forskellige anvendelser.

"Graphene er et fantastisk materiale, lavet af kulstofatomer forbundet i en bikagestruktur, "Tao siger, peger på grafens enorme elektriske mobilitet – den lethed, hvormed elektroner kan strømme gennem materialet. En sådan høj mobilitet er en kritisk parameter ved bestemmelse af hastigheden af ​​komponenter som transistorer.

Producerer dog brugbare mængder grafen, kan være tricky. Indtil nu, to metoder er blevet favoriseret, en, hvor enkeltlags grafen er skrællet fra et flerlagsark af grafit, ved hjælp af selvklæbende tape og den anden, hvor krystaller af grafen dyrkes på et substrat, såsom siliciumcarbid.

I hvert tilfælde, en iboende egenskab ved grafen skal overvindes, for at materialet er egnet til en transistor. Som Tao forklarer, "en transistor er dybest set en kontakt - du tænder eller slukker for den. En grafentransistor er meget hurtig, men tænd/sluk-forholdet er meget lille." Dette skyldes det faktum, at rummet mellem materialets valens- og ledningsbånd - eller båndgab som det er kendt - er nul for grafen.

For at forstørre båndgabet og forbedre materialets tænd/sluk-forhold, større ark grafen kan skæres ned til størrelser på nanoskala. Dette har den effekt at åbne kløften mellem valens- og konduktansbånd og forbedre tænd/sluk-forholdet, selvom en sådan størrelsesreduktion koster. Processen er besværlig og har en tendens til at introducere uregelmæssigheder i form og urenheder i den kemiske sammensætning, som noget forringer grafenens elektriske egenskaber. "Dette er måske ikke rigtig en levedygtig løsning til masseproduktion, " observerer Tao.

I stedet for en top-down tilgang, hvor ark af grafen reduceres til en passende størrelse til at fungere som transistorer, Taos tilgang er bottom-up - opbygning af grafen, molekylært stykke for stykke. At gøre dette, Tao er afhængig af den kemiske syntese af benzenringe, sekskantede strukturer, hver dannet af 6 carbonatomer. "Benzen er normalt et isolerende materiale, " siger Tao. Men efterhånden som flere sådanne ringe bliver sat sammen, materialets adfærd bliver mere som en halvleder.

Ved at bruge denne proces, gruppen var i stand til at syntetisere et coronen-molekyle, bestående af 13 benzenringe arrangeret i en veldefineret form. Molekylet blev derefter udstyret på hver side med linkergrupper - kemiske bindemidler, der gør det muligt for molekylet at blive fastgjort til elektroder, danner et kredsløb i nanoskala. Et elektrisk potentiale blev derefter ført gennem molekylet og adfærden, observeret. Den nye struktur viste transistoregenskaber, viser reversible tænd- og slukknapper.

Tao påpeger, at processen med kemisk syntese tillader finjustering af strukturer med hensyn til ideel størrelse, form og geometrisk struktur, hvilket gør det fordelagtigt til kommerciel masseproduktion. Grafen kan også gøres fri for fejl og urenheder, derved reducerer elektrisk spredning og giver materiale med maksimal mobilitet og bærehastighed, ideel til højhastighedselektronik.

I konventionelle enheder, modstand er proportional med temperatur, men i grafentransistorerne af Tao et al., elektronmobilitet skyldes kvantetunnelering, og forbliver temperaturuafhængig - en signatur af sammenhængende proces.

Gruppen mener, at de vil være i stand til at forstørre grafenstrukturerne gennem kemisk syntese til måske hundredvis af ringe, mens der stadig opretholdes et tilstrækkeligt båndgab til at muliggøre omskiftningsadfærd. Forskningen åbner mange muligheder for fremtidig kommercialisering af dette ualmindelige materiale, og dets brug i en ny generation af ultra højhastighedselektronik.