Forskere bruger oxider til at vende grafenledningsevnen

grafen, et et-atom tykt gitter af kulstofatomer, bliver ofte udråbt som et revolutionerende materiale, der vil tage pladsen for silicium i hjertet af elektronikken. Den uovertrufne hastighed, hvormed den kan flytte elektroner, plus dens i det væsentlige todimensionelle formfaktor, gøre det til et attraktivt alternativ, men der er stadig flere hindringer for vedtagelsen.

Et team af forskere fra University of Pennsylvania; University of California, Berkeley; og University of Illinois i Urbana-Champaign har gjort indtog i at løse en sådan forhindring. Ved at demonstrere en ny måde at ændre mængden af ​​elektroner, der findes i en given region i et stykke grafen, de har et proof-of-princip i at lave de grundlæggende byggesten i halvlederenheder ved hjælp af 2-D-materialet.

I øvrigt, deres metode gør det muligt at indstille denne værdi gennem påføring af et elektrisk felt, hvilket betyder, at grafenkredsløbselementer lavet på denne måde en dag kunne blive dynamisk "rewired" uden fysisk at ændre enheden.

Undersøgelsen var et samarbejde mellem grupperne af Andrew Rappe på Penn, Lane Martin ved UC Berkeley og Moonsub Shim i Illinois.

Det blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Silicium bruges til fremstilling af kredsløbselementer, fordi dets ladningsbærertæthed, antallet af frie elektroner den indeholder, kan nemt øges eller reduceres ved at tilføje kemiske urenheder. Denne "doping"-proces resulterer i "p-type" og "n-type" halvledere, silicium, der enten har flere positive eller flere negative ladningsbærere.

Krydspunkterne mellem p- og n-type halvledere er byggestenene i elektroniske enheder. Sæt sammen i rækkefølge, disse pn-forbindelser danner transistorer, som igen kan kombineres til integrerede kredsløb, mikrochips og processorer.

Kemisk doping af grafen for at opnå p- og n-type version af materialet er muligt, men det betyder, at man ofrer nogle af dets unikke elektriske egenskaber. En lignende effekt er mulig ved at anvende lokale spændingsændringer på materialet, men fremstilling og placering af de nødvendige elektroder ophæver de fordele, grafens formfaktor giver.

"Vi er kommet frem til en ikke-destruktiv, reversibel måde at doping på, " sagde Rappe, "det involverer ikke nogen fysiske ændringer af grafen."

Holdets teknik involverer at afsætte et lag grafen, så det hviler på, men binder sig ikke til, et andet materiale:lithiumniobat. Lithiumniobat er ferroelektrisk, hvilket betyder, at det er polært, og dens overflader har enten en positiv eller negativ ladning. Anvendelse af en elektrisk feltimpuls kan ændre tegnet på overfladeladningerne.

"Det er en ustabil situation, " sagde Rappe, "ved at den positivt ladede overflade ønsker at akkumulere negative ladninger og omvendt. For at løse denne ubalance, du kan få andre ioner til at komme ind og binde eller få oxidet til at miste eller få elektroner for at udligne disse ladninger, men vi har fundet en tredje vej.

"Her har vi grafen stående, på overfladen af ​​oxidet, men ikke bindende til det. Nu, hvis oxidoverfladen siger, 'Jeg ville ønske, jeg havde mere negativ ladning, i stedet for at oxidet samler ioner fra miljøet eller får elektroner, grafen siger 'Jeg kan holde elektronerne for dig, og de vil være lige i nærheden.'"

Rappe foreslog at bruge lithiumniobat, da det allerede er almindeligt anvendt i optisk teknik og har egenskaber, der ville egne sig til at skabe p-n-kryds. Forskerne udnyttede det faktum, at en bestemt type af materialet, periodisk polet lithiumniobat, er fremstillet, så den har "striber" af polære områder, der veksler mellem positive og negative.

"Fordi lithiumniobat-domænerne kan diktere egenskaberne, "Shim sagde, "Forskellige regioner af grafen kan antage forskellig karakter afhængigt af arten af ​​domænet nedenunder. Det tillader, som vi har vist, et simpelt middel til at skabe et p-n-kryds eller endda en række p-n-kryds på en enkelt flage af grafen. En sådan evne skulle lette fremskridt inden for grafen, der kan være analoge med, hvad p-n-forbindelser og komplementære kredsløb har gjort for den nuværende state-of-the-art halvlederelektronik.

"Det, der er endnu mere spændende, er muligheden for optoelektronik ved hjælp af grafen og muligheden for bølgeføring, linse og periodisk manipulere elektroner indespærret i et atomisk tyndt materiale."

Deres eksperimenter involverede også at tilføje en enkelt port til enheden, hvilket gjorde det muligt for dens samlede bærertæthed at blive yderligere tunet ved anvendelse af forskellige spændinger.

Ved at tage højde for, hvordan oxidet afbalancerer sine overfladeladninger alene, eller ved at binde ioner fra den vandige opløsning, forskerne var i stand til at vise forholdet mellem polariseringen af ​​oxidet og ladningsbærerens tæthed af grafenen suspenderet over det.

Og fordi oxidpolariseringen let kan ændres, typen og omfanget af understøttet grafendoping kan ændres sammen med det.

"Du kunne komme med en spids, der producerer et bestemt elektrisk felt, og bare ved at placere den i nærheden af ​​oxidet kan du ændre dens polaritet, " sagde Martin. "Du skriver et 'op' domæne eller et 'ned' domæne i den region, du vil have det, og grafenens ladningstæthed ville afspejle denne ændring. Du kunne lave grafen over det område p-type eller n-type, og, hvis du skifter mening, du kan slette det og starte igen."

Denne evne ville repræsentere en fordel i forhold til kemisk dopede halvledere. Når de atomare urenheder er blandet ind i materialet for at ændre dets bærertæthed, de kan ikke fjernes. Fremtidig forskning vil undersøge muligheden for at designe dynamiske halvledende enheder med denne teknik.

"Det kan vi ikke lige nu, men det er den retning, vi vil tage det, " sagde Rappe, "Der er nogle oxider, der kan repolariseres på tidsskalaen af ​​nanosekunder, så du kunne lave nogle virkelig dynamiske ændringer, hvis du havde brug for det. Det åbner op for mange muligheder."