Forskere flytter grafenelektronik til 3D

I et blad udgivet i denne uge i Videnskab , et Manchester-hold ledet af nobelpristagere professor Andre Geim og professor Konstantin Novoselov har bogstaveligt talt åbnet en tredje dimension i grafenforskning. Deres forskning viser en transistor, der kan bevise det manglende led for, at grafen bliver det næste silicium.

Grafen – ét atomplan af kulstof – er et bemærkelsesværdigt materiale med uendelige unikke egenskaber, fra elektronisk til kemisk og fra optisk til mekanisk.

En af mange potentielle anvendelser af grafen er dets brug som grundmateriale til computerchips i stedet for silicium. Dette potentiale har gjort de store chipproducenter opmærksomme, inklusive IBM, Samsung, Texas Instruments og Intel. Individuelle transistorer med meget høje frekvenser (op til 300 GHz) er allerede blevet demonstreret af flere grupper verden over.

Desværre, disse transistorer kan ikke pakkes tæt i en computerchip, fordi de lækker for meget strøm, selv i den mest isolerende tilstand af grafen. Denne elektriske strøm ville få chips til at smelte inden for en brøkdel af et sekund.

Dette problem har eksisteret siden 2004, da Manchester-forskerne rapporterede deres nobelvindende grafenfund og, på trods af en enorm verdensomspændende indsats for at løse det siden da, ingen reel løsning er indtil videre blevet tilbudt.

Forskere fra University of Manchester foreslår nu at bruge grafen ikke lateralt (i plan) - som alle de tidligere undersøgelser gjorde - men i lodret retning. De brugte grafen som en elektrode, hvorfra elektroner tunnelerede gennem et dielektrikum til et andet metal. Dette kaldes en tunneldiode.

Derefter udnyttede de en helt unik egenskab ved grafen - at en ekstern spænding kraftigt kan ændre tunnelelektronernes energi. Som et resultat fik de en ny type enhed - vertikal felteffekt tunneltransistor, hvor grafen er en kritisk ingrediens.

Dr. Leonid Ponomarenko, som stod i spidsen for den eksperimentelle indsats, sagde:"Vi har bevist en konceptuel ny tilgang til grafenelektronik. Vores transistorer fungerer allerede ret godt. Jeg tror på, at de kan forbedres meget yderligere, skaleret ned til nanometerstørrelser og arbejde ved sub-THz-frekvenser."

"Det er en ny udsigt for grafenforskning, og chancerne for grafenbaseret elektronik har aldrig set bedre ud, end de er nu", tilføjer professor Novoselov.

Grafen alene ville ikke være nok til at få gennembruddet. Heldigvis, der er mange andre materialer, som kun er et atom eller et molekyle tykt, og de blev brugt til hjælp.

Manchester-holdet lavede transistorerne ved at kombinere grafen sammen med atomplaner af bornitrid og molybdændisulfid. Transistorerne blev samlet lag for lag i en ønsket rækkefølge, som en lagkage men på atomare skala.

Sådanne lagkageoverbygninger findes ikke i naturen. Det er et helt nyt koncept introduceret i rapporten af ​​Manchester-forskerne. Atomskalaenheden tilbyder mange nye grader af funktionalitet, uden nogle af dem ville tunneltransistoren være umulig.

"Den demonstrerede transistor er vigtig, men konceptet med atomlagssamling er sandsynligvis endnu vigtigere, " forklarer professor Geim. Professor Novoselov tilføjede:"Tunneltransistor er blot et eksempel på den uudtømmelige samling af lagdelte strukturer og nye enheder, som nu kan skabes ved en sådan samling.

"Det giver virkelig uendelige muligheder både for grundlæggende fysik og til applikationer. Andre mulige eksempler omfatter lysdioder, fotovoltaiske apparater, og så videre."