Vand kunne svare til grafen nanoelektronik

Forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute udviklede en ny metode til at bruge vand til at tune båndgabet af nanomaterialet grafen, åbner døren til nye grafen-baserede transistorer og nanoelektronik.

Ved at udsætte en grafenfilm for fugt, Rensselaer Professor Nikhil Koratkar og hans forskerhold var i stand til at skabe et båndgab i grafen - en kritisk forudsætning for at skabe grafentransistorer. I hjertet af moderne elektronik, transistorer er enheder, der kan tændes eller slukkes for at ændre et elektrisk signal. Computermikroprocessorer består af millioner af transistorer lavet af det halvledende materiale silicium, som branchen aktivt søger en efterfølger til.

grafen, et atomtykt ark af kulstofatomer arrangeret som et kædehegn i nanoskala, har ingen båndgab. Koratkars team demonstrerede, hvordan man åbner et båndgab i grafen baseret på mængden af ​​vand, de adsorberede til den ene side af materialet, præcis tuning af båndgabet til en hvilken som helst værdi fra 0 til 0,2 elektronvolt. Denne effekt var fuldt reversibel, og båndgabet reduceret tilbage til nul under vakuum. Teknikken involverer ikke nogen kompliceret konstruktion eller modifikation af grafenen, men kræver et kabinet, hvor fugtigheden kan styres præcist.

"Graphene er værdsat for dets unikke og attraktive mekaniske egenskaber. Men hvis du skulle bygge en transistor ved hjælp af grafen, det ville simpelthen ikke fungere, da grafen fungerer som et halvmetal og har nul båndgab, " sagde Koratkar, professor ved Institut for Mekanik, Luftfart, og Nuklear Engineering hos Rensselaer. "I dette studie, vi demonstrerede en forholdsvis nem metode til at give grafen et båndgab. Dette kunne åbne døren til at bruge grafen til en ny generation af transistorer, dioder, nanoelektronik, nanofotonik, og andre applikationer."

Resultaterne af undersøgelsen blev beskrevet detaljeret i papiret "Tunable Band gap in Graphene by the Controlled Adsorbtion of Water Molecules, " udgivet i denne uge af tidsskriftet Lille .

I sin naturlige tilstand, grafen har en ejendommelig struktur, men ingen båndgab. Det opfører sig som et metal og er kendt som en god leder. Dette sammenlignes med gummi eller de fleste plastik, som er isolatorer og ikke leder strøm. Isolatorer har et stort båndgab – et energigab mellem valens- og ledningsbåndet – som forhindrer elektroner i at lede frit i materialet.

Mellem de to er halvledere, som både kan fungere som leder og isolator. Halvledere har et smalt båndgab, og anvendelse af et elektrisk felt kan provokere elektroner til at hoppe over mellemrummet. Evnen til hurtigt at skifte mellem de to tilstande - "tændt" og "slukket" - er grunden til, at halvledere er så værdifulde i mikroelektronik.

"I hjertet af enhver halvlederenhed er et materiale med et båndgab, " sagde Koratkar. "Hvis du ser på chipsene og mikroprocessorerne i nutidens mobiltelefoner, mobile enheder, og computere, hver indeholder et væld af transistorer lavet af halvledere med båndgab. Grafen er et nulbåndsgab-materiale, hvilket begrænser dens anvendelighed. Så det er afgørende at udvikle metoder til at inducere et båndgab i grafen for at gøre det til et relevant halvledende materiale."

Symmetrien af ​​grafens gitterstruktur er blevet identificeret som en årsag til materialets manglende båndgab. Koratkar udforskede ideen om at bryde denne symmetri ved kun at binde molekyler til den ene side af grafenen. At gøre dette, han fremstillede grafen på en overflade af silicium og siliciumdioxid, og udsatte derefter grafenen for et miljøkammer med kontrolleret fugtighed. I kammeret, vandmolekyler adsorberet til den udsatte side af grafen, men ikke på den side, der vender mod siliciumdioxiden. Med symmetrien brudt, båndgabet af grafen gjorde, Ja, åben op, sagde Koratkar. Medvirkende til effekten er også fugten, der interagerer med defekter i siliciumdioxidsubstratet.

"Andre har vist, hvordan man skaber et båndgab i grafen ved at adsorbere forskellige gasser til dets overflade, men det er første gang, det er blevet gjort med vand, " sagde han. "Fordelen ved vandadsorption, sammenlignet med gasser, er, at det er billigt, ikke-giftige, og meget nemmere at styre i en chipapplikation. For eksempel, med fremskridt inden for mikroemballageteknologier er det relativt ligetil at konstruere et lille kabinet omkring visse dele eller hele en computerchip, hvor det ville være ret nemt at kontrollere fugtighedsniveauet."

Baseret på fugtighedsniveauet i kabinettet, chipproducenter kunne reversibelt justere båndgabet af grafen til en hvilken som helst værdi fra 0 til 0,2 elektronvolt, sagde Korarkar.