Grafenvægge kunne lave kraftfuld elektronik

(PhysOrg.com) -- At stille et bånd af grafen oprejst, den har brug for diamant på skosålerne.

Et nyt papir fra samarbejdspartnere ved Rice University og Hong Kong Polytechnic University viser muligheden for, at små strimler af grafen - et atom-tykke plader af kulstof - kan stå højt på et underlag med lidt støtte. Dette fører til muligheden for, at arrays af grafenvægge kan blive komponenter med ultrahøj tæthed i elektroniske eller spintroniske enheder.

Værket blev offentliggjort i denne måned i online-udgaven af Journal of the American Chemical Society.

Beregninger af Rice teoretisk fysiker Boris Yakobson, Adjunkt Feng Ding fra Hong Kong Polytechnic og deres samarbejdspartnere viste, at substrater ikke kun af diamant, men også nikkel kemisk kunne binde kanten af ​​en strimmel af et grafen nanobånd. Fordi kontakten er så lille, grafenvæggene bevarer næsten alle deres iboende elektriske eller magnetiske egenskaber.

Og fordi de er så tynde, Yakobson og Ding beregnede et teoretisk potentiale ved at sætte 100 billioner grafenvæg-felteffekttransistorer (FET'er) på en kvadratcentimeter-chip.

Alene dette potentiale kan gøre det muligt at overskride grænserne i Moores lov – noget Yakobson engang diskuterede med Intel-grundlæggeren Gordon Moore selv.

"Vi mødtes i Montreal, da nano var et nyt barn på blokken, og havde en god snak, " sagde Yakobson, Rice's Karl F. Hasselmann lærestol i ingeniørvidenskab og professor i materialevidenskab og maskinteknik og i kemi. "Moore kunne godt lide at tale om siliciumwafers i form af fast ejendom. Efter hans metafor, en opretstående arkitektur ville øge tætheden af ​​kredsløb på en chip - som at gå fra huse i ranchstil i Texas til skyskraberlejligheder i Hong Kong.

"Denne form for strategi kan hjælpe med at opretholde Moores lov i et ekstra årti, " han sagde.

Et ark materiale på en brøkdel af en nanometer bredt er ret bøjeligt, han sagde, men fysikkens love er på dens side. Bindingsenergier mellem kulstof i diamantmatrixen og kulstof i grafen maksimeres ved kanten, og molekylerne binder sig stærkt i en 90-graders vinkel. Der kræves minimal energi for at grafenet kan stå oprejst, hvilket er dens foretrukne tilstand. (Vægge på et nikkelsubstrat vil være vinklet omkring 30 grader, fandt forskerne.)

Yakobson sagde, at væggene kunne være så tæt på hinanden som 7/10-dele af en nanometer, som ville bevare individuelle nanobånds uafhængige elektroniske egenskaber. De kunne potentielt dyrkes på silicium, siliciumdioxid, aluminiumoxid eller siliciumcarbid.

Forskningen illustrerede forskelle mellem vægge lavet af to forskellige typer grafen, zigzag og lænestol, såkaldt på grund af den måde, deres kanter er formet på.

Plader af grafen betragtes som halvmetaller, der har begrænset anvendelse i elektronik, fordi elektrisk strøm skyder lige igennem uden modstand. Imidlertid, nanobånd til lænestole kan blive til halvledere; jo tyndere bånd, jo større båndgabet er, hvilket er vigtigt for transistorer.

Zigzag nanobånd er magnetiske. Elektroner ved deres modsatte kanter spinder i modsatte retninger, en karakteristik, der kan styres af en elektrisk strøm; dette gør dem velegnede til spintroniske enheder.

I begge tilfælde væggenes elektroniske egenskaber kan indstilles ved at ændre deres højde.

Forskerne foreslog også, at nanovægge kunne blive nanoarker ved at fastgøre modsatte ender af et grafenbånd til underlaget. I stedet for at ligge fladt på diamant- eller nikkeloverfladen, energierne på spil langs bindingskanterne ville naturligvis tvinge grafenstrimlen til at rejse sig i midten. Det ville i det væsentlige blive et halvt nanorør med sit eget sæt af potentielt nyttige egenskaber.

Netop hvordan man forvandler disse todimensionelle byggeklodser til en tredimensionel enhed giver udfordringer, men udbyttet er stort, sagde Yakobson. Han bemærkede, at forskningen lægger grundlaget for subnanometer elektronisk teknologi.