Mikroprocessorer fra blyantbly

(PhysOrg.com) -- University of Arizona fysikere gør opdagelser, der kan fremme elektronisk kredsløbsteknologi.

grafit, mere almindeligt kendt som blyantbly, kunne blive den næste store ting i jagten på mindre og mindre strømkrævende elektronik.

Ligner kyllingetråd på nanoskala, grafen – enkelte ark grafit – er kun et atom tykt, gør det til verdens tyndeste materiale. To millioner grafenplader stablet op ville ikke være så tykke som et kreditkort.

Den vanskelige del har fysikere endnu ikke fundet ud af, hvordan de skal kontrollere strømmen af ​​elektroner gennem materialet, en nødvendig forudsætning for at få den til at fungere i enhver form for elektronisk kredsløb. Grafen opfører sig meget anderledes end silicium, det materiale, der i øjeblikket bruges i halvledere.

Sidste år, et forskerhold ledet af UA-fysikere ryddede den første forhindring ved at identificere bornitrid, et strukturelt identisk, men ikke-ledende materiale, som en passende monteringsflade til enkeltatomark af grafen. Holdet viste også, at ud over at yde mekanisk support, bornitrid forbedrer grafens elektroniske egenskaber ved at udjævne fluktuationer i de elektroniske ladninger.

Nu fandt holdet ud af, at bornitrid også påvirker, hvordan elektronerne bevæger sig gennem grafen. Udgivet i Naturfysik , resultaterne åbner op for nye måder at kontrollere elektronstrømmen gennem grafen på.

"Hvis du vil lave en transistor f.eks. du skal være i stand til at stoppe strømmen af ​​elektroner, " sagde Brian LeRoy, en assisterende professor ved University of Arizonas afdeling for fysik. "Men i grafen, elektronerne fortsætter bare. Det er svært at stoppe dem."

LeRoy sagde, at relativistiske kvantemekaniske effekter, der kommer i spil på atomare skalaer, får elektroner til at opføre sig på måder, der går imod vores hverdagserfaringer af, hvordan objekter bør opføre sig.

Tag tennisbolde, for eksempel.

"Normalt, når du kaster en tennisbold mod en væg, det springer tilbage, " sagde LeRoy. "Tænk nu på elektronerne som tennisbolde. Med kvantemekaniske effekter, der er en chance for, at bolden ville gå igennem og ende på den anden side. I grafen, bolden går igennem 100 procent af tiden."

Denne mærkelige adfærd gør det vanskeligt at kontrollere, hvor elektroner skal hen i grafen. Imidlertid, som LeRoys gruppe nu har opdaget, montering af grafen på bornitrid forhindrer nogle af elektronerne i at passere til den anden side, et første skridt mod en mere kontrolleret elektronstrøm.

Gruppen opnåede denne bedrift ved at placere grafenplader på bornitrid i bestemte vinkler, hvilket resulterer i, at de sekskantede strukturer i begge materialer overlapper hinanden på en sådan måde, at sekundære, der skabes større sekskantede mønstre. Forskerne kalder denne struktur et supergitter.

Hvis vinklen er den rigtige, de fandt, et punkt nås, hvor næsten ingen elektroner går igennem.

"Man kan sige, at vi lavede huller i væggen, " sagde LeRoy, "og så snart væggen har huller i sig, vi oplever, at nogle af tennisboldene ikke længere går igennem. Det er det modsatte af, hvad du ville forvente. Det viser dig, hvor mærkeligt det her er. Det hele skyldes de relativistiske kvanteeffekter."

Opdagelsen sætter teknologien lidt tættere på en dag at være i stand til rent faktisk at kontrollere strømmen af ​​elektroner gennem grafen, sagde forfatterne af papiret.

"Effekten afhænger af størrelsen af ​​det sekskantede mønster som følge af de overlappende ark, " forklarede Matthew Yankowitz, en førsteårs kandidatstuderende i LeRoys laboratorium og undersøgelsens hovedforfatter.

Mønstret, forklarede han, skaber en periodisk modulering af potentialet – forestil dig en kugle, der ruller hen over en æggekarton.

"Det er en rent elektronisk effekt forårsaget af strukturen af ​​de to materialer, og hvordan de sidder oven på hinanden, " sagde Yankowitz. "Det ligner det Moiré-mønster, du ser, når nogen bærer en stribet skjorte på tv."

Fra nu af, forskerne er endnu ikke i stand til at kontrollere, hvordan grafen og bornitrid ender orienteret i forhold til hinanden, når de kombinerer de to materialer. Derfor, de laver mange prøver og kontrollerer strukturen af ​​hver enkelt under et elektronmikroskop.

"Med vores scanning tunneling mikroskop, vi kan få et billede af hvert supergitter og måle dets størrelse, " sagde Yankowitz. "Vi tager et billede og ser, hvordan mønsteret ser ud. Hvis det sekskantede mønster er for lille, prøverne er ikke gode, og vi smider dem ud."

Yankowitz sagde, at omkring 10 til 20 procent af prøverne viste den ønskede effekt.

Hvis det bliver muligt en dag at automatisere denne proces, grafen-baseret mikroelektronik kan være godt på vej til at drive os fra siliciumalderen til grafenalderen.

Forskningsstudiet er et samarbejde mellem LeRoys laboratorium og forskere ved MIT i Cambridge, Masse., National Institute for Materials Science i Tsukuba, Japan og universitetet i Genève, Schweiz. UA-delen af ​​projektet blev finansieret af tilskud fra U.S. Army Research Office og National Science Foundation.