Forskere bruger DNA til at samle en transistor fra grafen

(Phys.org) -Graphene er et ark af carbonatomer opstillet i et bikagemønster, kun et enkelt atom tykt. Det kunne være en bedre halvleder end silicium - hvis vi kunne lave det til bånd med en bredde på 20 til 50 atomer. Kan DNA hjælpe?

DNA er planen for livet. Kunne det også blive skabelonen til at lave en ny generation af computerchips baseret ikke på silicium, men på et eksperimentelt materiale kendt som grafen?

Det er teorien bag en proces, som Stanford kemiingeniørprofessor Zhenan Bao afslører i Naturkommunikation .

Bao og hendes medforfattere, tidligere post-doc-stipendiater Anatoliy Sokolov og Fung Ling Yap, håber at løse et problem, der forplumrer fremtiden for elektronik:Forbrugerne forventer, at siliciumchips bliver ved med at blive mindre, hurtigere og billigere, men ingeniører frygter, at denne dydige cyklus kan gå i stå.

Hvorfor har det at gøre med, hvordan siliciumchips virker.

Alt starter med forestillingen om halvlederen, en type materiale, der kan induceres til enten at lede eller stoppe strømmen af ​​elektricitet. Silicium har længe været det mest populære halvledermateriale, der bruges til at lave chips.

Den grundlæggende arbejdsenhed på en chip er transistoren. Transistorer er små porte, der tænder eller slukker for elektricitet, skabe nuller og dem, der kører software.

For at bygge mere kraftfulde chips, Designere har gjort to ting på samme tid:de har krympet transistorer i størrelse og har også åbnet og lukket disse porte hurtigere og hurtigere.

Nettoresultatet af disse handlinger har været at koncentrere mere elektricitet i et mindre rum. Hidtil har det produceret små, hurtigere, billigere chips. Men på et vist tidspunkt, varme og andre former for interferens kan forstyrre den indre funktion af siliciumchips.

"Vi har brug for et materiale, der giver os mulighed for at bygge mindre transistorer, der fungerer hurtigere og bruger mindre strøm, " sagde Bao.

Grafen har de fysiske og elektriske egenskaber til at blive et næste generations halvledermateriale - hvis forskerne kan finde ud af, hvordan man masseproducerer det.

Grafen er et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i et bikagemønster. Visuelt ligner det kyllingetråd. Elektrisk er dette gitter af kulstofatomer en ekstremt effektiv leder.

Bao og andre forskere mener, at bånd af grafen, lagt side om side, kunne skabe halvlederkredsløb. I betragtning af materialets små dimensioner og gunstige elektriske egenskaber, graphene nano bånd kunne skabe meget hurtige chips, der kører på meget lav strøm, hun sagde.

"Imidlertid, som man kunne forestille sig, at lave noget, der kun er et atom tykt og 20 til 50 atomer bredt, er en betydelig udfordring, " sagde medforfatter Sokolov.

For at håndtere denne udfordring, Stanford-teamet kom op med ideen om at bruge DNA som en samlingsmekanisme.

Fysisk, DNA-strenge er lange og tynde, og findes i nogenlunde samme dimensioner som de grafenbånd, som forskerne ønskede at samle.

Kemisk, DNA-molekyler indeholder kulstofatomer, det materiale, der danner grafen.

Det virkelige trick er, hvordan Bao og hendes team sætter DNA's fysiske og kemiske egenskaber til at fungere.

Forskerne startede med en lille plade af silicium for at give en støtte (substrat) til deres eksperimentelle transistor. De dyppede siliciumfadet i en opløsning af DNA afledt af bakterier og brugte en kendt teknik til at rede DNA-strengene i relativt lige linjer.

Næste, DNA'et på fadet blev udsat for en kobbersaltopløsning. Opløsningens kemiske egenskaber gjorde det muligt for kobberionerne at blive absorberet i DNA'et.

Derefter blev fadet opvarmet og badet i metangas, som indeholder kulstofatomer. Endnu en gang kom kemiske kræfter i spil for at hjælpe i samlingsprocessen. Varmen udløste en kemisk reaktion, der frigjorde nogle af kulstofatomerne i DNA'et og metan. Disse frie kulstofatomer gik hurtigt sammen for at danne stabile honningkager af grafen.

"De løse kulstofatomer forblev tæt på, hvor de brød fri fra DNA-strengene, og så dannede de bånd, der fulgte strukturen af ​​DNA'et, " sagde Yap.

Så del et af opfindelsen involverede brug af DNA til at samle bånd af kulstof. Men forskerne ville også vise, at disse kulstofbånd kunne udføre elektroniske opgaver. Så de lavede transistorer på båndene.

"Vi demonstrerede for første gang, at man kan bruge DNA til at dyrke smalle bånd og derefter lave fungerende transistorer, " sagde Sokolov.

Avisen modtog ros fra UC Berkeley lektor Ali Javey, en ekspert i brugen af ​​avancerede materialer og næste generations elektronik.

"Denne teknik er meget unik og udnytter brugen af ​​DNA som en effektiv skabelon til kontrolleret vækst af elektroniske materialer, " sagde Javey. "I denne forbindelse adresserer projektet et vigtigt forskningsbehov for feltet."

Bao sagde, at monteringsprocessen kræver en masse forfining. For eksempel, ikke alle kulstofatomerne dannede bikagebånd med et enkelt atom tykt. Nogle steder er de samlet i uregelmæssige mønstre, førte forskerne til at mærke materialet grafitisk i stedet for grafen.

Ikke desto mindre, processen, omkring to år undervejs, peger på en strategi for at vende dette kulstofbaserede materiale fra en nysgerrighed til en seriøs kandidat til at efterfølge silicium.

"Vores DNA-baserede fremstillingsmetode er meget skalerbar, tilbyder høj opløsning og lave produktionsomkostninger, " sagde medforfatter Yap. "Alle disse fordele gør metoden meget attraktiv for industriel adoption."