Ballistisk transport i grafen antyder en ny type elektronisk enhed

Brug af elektroner mere som fotoner kunne danne grundlaget for en ny type elektronisk enhed, der ville udnytte grafens evne til at bære elektroner med næsten ingen modstand selv ved stuetemperatur - en egenskab kendt som ballistisk transport.

Forskning rapporteret i denne uge viser, at elektrisk modstand i nanobånd af epitaksial grafen ændrer sig i diskrete trin efter kvantemekaniske principper. Forskningen viser, at grafen nanobåndene fungerer mere som optiske bølgeledere eller kvanteprikker, tillader elektroner at flyde jævnt langs materialets kanter. I almindelige ledere som kobber, modstand stiger i forhold til længden, da elektroner støder på flere og flere urenheder, mens de bevæger sig gennem lederen.

De ballistiske transportegenskaber, svarende til dem, der observeres i cylindriske kulstofnanorør, overstiger teoretiske konduktansforudsigelser for grafen med en faktor 10. Egenskaberne blev målt i grafen nanobånd med en bredde på cirka 40 nanometer, som var blevet dyrket på kanterne af tredimensionelle strukturer ætset ind i siliciumcarbidskiver.

"Dette arbejde viser, at vi kan kontrollere grafenelektroner på meget forskellige måder, fordi egenskaberne er virkelig enestående, " sagde Walt de Heer, en Regents professor ved School of Physics ved Georgia Institute of Technology. "Dette kan resultere i en ny klasse af sammenhængende elektroniske enheder baseret på rumtemperatur ballistisk transport i grafen. Sådanne enheder ville være meget forskellige fra, hvad vi laver i dag i silicium."

Forskningen, som blev støttet af National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research og W.M. Keck Foundation, blev rapporteret 5. februar i journalen Natur . Forskningen blev udført gennem et samarbejde mellem forskere fra Georgia Tech i USA, Leibniz Universität Hannover i Tyskland, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) i Frankrig og Oak Ridge National Laboratory i USA.

I næsten et årti, forskere har forsøgt at bruge grafens unikke egenskaber til at skabe elektroniske enheder, der fungerer meget som eksisterende siliciumhalvlederchips. Men disse bestræbelser har haft begrænset succes, fordi grafen - et gitter af kulstofatomer, der kan laves så lidt som et lag tykt - ikke let kan gives det elektroniske båndgab, som sådanne enheder har brug for for at fungere.

De Heer argumenterer for, at forskere burde holde op med at forsøge at bruge grafen som silicium, og i stedet bruge dens unikke elektrontransportegenskaber til at designe nye typer elektroniske enheder, der kunne tillade ultrahurtig databehandling – baseret på en ny tilgang til switching. Elektroner i grafen nanobåndene kan bevæge sig titusinder eller hundreder af mikrometer uden at sprede sig.

"Denne konstante modstand er relateret til en af ​​fysikkens grundlæggende konstanter, konduktans kvantum, " sagde de Heer. "Modstanden i denne kanal afhænger ikke af temperaturen, og det afhænger ikke af mængden af ​​strøm, du sætter gennem det."

Hvad forstyrrer strømmen af ​​elektroner, imidlertid, måler modstanden med en elektrisk sonde. Målingerne viste, at berøring af nanobåndene med en enkelt sonde fordobler modstanden; at røre den med to sonder tredobler modstanden.

"Elektronerne rammer sonden og spreder sig, " forklarede de Heer. "Det minder meget om et vandløb, hvori vandet flyder pænt, indtil du lægger sten i vejen. Vi har lavet systematiske undersøgelser for at vise, at når du rører nanobåndene med en sonde, du introducerer en metode til at sprede elektronerne, og det ændrer modstanden."

Nanobåndene dyrkes epitaksielt på silicium carbon wafers, ind i hvilke mønstre er blevet ætset ved hjælp af standard mikroelektronik fabrikationsteknikker. Når vaflerne er opvarmet til ca. 000 grader Celsius, silicium drives fortrinsvis af langs kanterne, danner grafen nanobånd, hvis struktur er bestemt af mønsteret af den tredimensionelle overflade. Når først de er vokset, nanobåndene kræver ingen yderligere behandling.

Fordelen ved at fremstille grafen nanobånd på denne måde er, at det producerer kanter, der er perfekt glatte, udglødet ved fremstillingsprocessen. De glatte kanter tillader elektroner at strømme gennem nanobåndene uden afbrydelse. Hvis traditionelle ætsningsteknikker bruges til at skære nanobånd fra grafenplader, de resulterende kanter er for ru til at tillade ballistisk transport.

"Det ser ud til, at strømmen primært flyder på kanterne, " sagde de Heer. "Der er andre elektroner i hoveddelen af ​​nanobåndene, men de interagerer ikke med elektronerne, der flyder ved kanterne."

Elektronerne på kanten flyder mere som fotoner i optiske fibre, hjælpe dem med at undgå spredning. "Disse elektroner opfører sig virkelig mere som lys, " sagde han. "Det er som lys, der går gennem en optisk fiber. På grund af den måde, fiberen er lavet på, lyset transmitterer uden at spredes."

Elektronmobilitetsmålinger, der overstiger en million, svarer til en arkmodstand på en ohm pr. kvadrat, der er to størrelsesordener lavere end det, der observeres i todimensionel grafen - og ti gange mindre end de bedste teoretiske forudsigelser for grafen.

"Dette skulle muliggøre en ny måde at lave elektronik på, " sagde de Heer. "Vi er allerede i stand til at styre disse elektroner, og vi kan skifte dem ved hjælp af rudimentære midler. Vi kan sætte en vejspærring, og åbne den så igen. Nye slags kontakter til dette materiale er nu i horisonten."

Teoretiske forklaringer på, hvad forskerne har målt, er ufuldstændige. De Heer spekulerer i, at grafen nanobåndene kan producere en ny type elektronisk transport svarende til det, der observeres i superledere.

"Der er en masse grundlæggende fysik, der skal gøres for at forstå, hvad vi ser, " tilføjede han. "Vi mener, at dette viser, at der er en reel mulighed for en ny type grafen-baseret elektronik."

Georgia Tech-forskere har været pionerer inden for grafen-baseret elektronik siden 2001, som de har patent på, indgivet i 2003. Teknikken involverer ætsning af mønstre i siliciumcarbidwafere af elektronikkvalitet, opvarm derefter waflerne for at drive silicium væk, efterlader mønstre af grafen.