Fremme af grafen til post-silicium computerlogik:Forskere er banebrydende for ny tilgang til grafenlogiske kredsløb

Et team af forskere fra University of California, Riversides Bourns College of Engineering har løst et problem, der tidligere udgjorde en alvorlig hindring for brugen af ​​grafen i elektroniske enheder.

Scanning elektronmikroskopi billede af grafen enhed brugt i undersøgelsen. Skalaen er en mikrometer. UCR-logoet ved siden af ​​er implementeret med ætset grafen.

Grafen er en enkeltatomet tyk kulstofkrystal med unikke egenskaber, der er gavnlige for elektronik, herunder ekstrem høj elektronmobilitet og fonon termisk ledningsevne. Imidlertid, grafen har ikke et energibåndgab, som er en specifik egenskab ved halvledermaterialer, der adskiller elektroner fra huller og tillader en transistor implementeret med et givet materiale at blive helt slukket.

En transistor implementeret med grafen vil være meget hurtig, men vil lide af lækstrømme og effekttab, mens den er i slukket tilstand på grund af fraværet af energibåndgabet. Bestræbelser på at inducere et båndgab i grafen via kvanteindeslutning eller overfladefunktionalisering har ikke resulteret i et gennembrud. Det fik videnskabsmænd til at spekulere på, om grafenanvendelser i elektroniske kredsløb til informationsbehandling var gennemførlige.

UC Riverside-teamet – Alexander Balandin og Roger Lake, både elektroingeniørprofessorer, Alexander Khitun, en adjungeret professor i elektroteknik, og Guanxiong Liu og Sonia Ahsan, som begge fik deres Ph.D'er fra UC Riverside, mens de arbejdede med denne forskning - har fjernet den tvivl.

"De fleste forskere har forsøgt at ændre grafen for at gøre det mere som konventionelle halvledere til applikationer i logiske kredsløb, " sagde Balandin. "Dette resulterer normalt i nedbrydning af grafenegenskaber. For eksempel, forsøg på at inducere et energibåndgab resulterer almindeligvis i faldende elektronmobilitet, mens det stadig ikke fører til et tilstrækkeligt stort båndgab."

"Vi besluttede at tage en alternativ tilgang, " sagde Balandin. "I stedet for at prøve at ændre grafen, vi ændrede måden, hvorpå informationen behandles i kredsløbene."

UCR-teamet demonstrerede, at den negative differentielle modstand eksperimentelt observeret i grafenfelteffekttransistorer muliggør konstruktion af levedygtige ikke-boolske beregningsarkitekturer med den mellemrumsfrie grafen. Den negative differentielle modstand - observeret under visse forspændingsskemaer - er en iboende egenskab ved grafen som følge af dets symmetriske båndstruktur. Den avancerede version af papiret med UCR-resultater kan tilgås på http://arxiv.org/abs/1308.2931.

Moderne digital logik, som bruges i computere og mobiltelefoner, er baseret på boolsk algebra implementeret i halvleder switch-baserede kredsløb. Den bruger nuller og etaller til kodning og behandling af informationen. Imidlertid, den boolske logik er ikke den eneste måde at behandle information på. UC Riverside-teamet foreslog at bruge specifikke strømspændingsegenskaber for grafen til at konstruere den ikke-boolske logikarkitektur, som udnytter principperne for de ikke-lineære netværk.

Grafentransistorerne til denne undersøgelse blev bygget og testet af Liu på Balandins Nano-Device Laboratory ved UC Riverside. De fysiske processer, der fører til usædvanlige elektriske egenskaber, blev simuleret ved hjælp af atomistiske modeller af Ahsan, som arbejdede under søen. Khitun leverede ekspertise om ikke-boolske logikarkitekturer.

Den atomistiske modellering udført i Lake's gruppe viser, at den negative differentielle modstand ikke kun optræder i mikroskopisk størrelse grafenenheder, men også på nanometerskalaen, hvilket ville give mulighed for fremstilling af ekstremt små kredsløb med lav effekt.

Den foreslåede tilgang til grafenkredsløb præsenterer en konceptuel ændring i grafenforskningen og angiver en alternativ rute for grafens anvendelser i informationsbehandling ifølge UC Riverside-teamet.