Bedre sammen:grafen-nanorør hybrid switche

Grafen er blevet kaldt et vidundermateriale, i stand til at udføre stor og usædvanlig materialeakrobatik. Bornitrid nanorør er heller ingen snæver i materialeområdet, og kan konstrueres til fysiske og biologiske anvendelser. Imidlertid, på egen hånd, disse materialer er forfærdelige til brug i elektronikverdenen. Som dirigent, grafen lader elektroner lyne for hurtigt – der er ingen kontrol eller stopper dem – mens bornitrid nanorør er så isolerende, at elektroner afvises som en overivrig hund, der rammer terrassedøren.

Men sammen, disse to materialer udgør en brugbar digital switch, som er grundlaget for at kontrollere elektroner i computere, telefoner, medicinsk udstyr og anden elektronik.

Åg Khin Yap, professor i fysik ved Michigan Technological University, har arbejdet med et forskerhold, der skabte disse digitale switches ved at kombinere grafen og bornitrid nanorør. Journalen Videnskabelige rapporter for nylig udgivet deres arbejde.

"Spørgsmålet er:Hvordan smelter du disse to materialer sammen?" siger Yap. Nøglen er at maksimere deres eksisterende kemiske strukturer og udnytte deres uoverensstemmende funktioner.

Tweaks i nanoskala

Grafen er et molekyletykt ark af kulstofatomer; nanorørene er som sugerør lavet af bor og nitrogen. Yap og hans team eksfolierer grafen og modificerer materialets overflade med små nålehuller. Så kan de vokse nanorørene op og gennem nålehullerne. Sat sammen sådan her, materialet ligner en flage af bark, der spirer uberegnelig, tynde hår.

"Når vi sætter disse to rumvæsener sammen, vi skaber noget bedre, "Yap siger, forklarer, at det er vigtigt, at materialerne har skæve båndgab, eller forskelle i hvor meget energi der skal til for at excitere en elektron i materialet. "Når vi sætter dem sammen, du danner et båndgab-mismatch - der skaber en såkaldt 'potentialbarriere', der stopper elektroner."

Uoverensstemmelsen mellem båndgabet er resultatet af materialernes struktur:grafens flade plade leder elektricitet hurtigt, og atomstrukturen i nanorørene standser elektriske strømme. Denne ulighed skaber en barriere, forårsaget af forskellen i elektronbevægelse, når strømme bevæger sig ved siden af ​​og forbi de hårlignende bornitrid-nanorør. Disse kontaktpunkter mellem materialerne - kaldet heterojunctions - er det, der gør den digitale tænd/sluk-knap mulig.

"Forestil dig, at elektronerne er som biler, der kører over et glat spor, " siger Yap. "De kredser rundt og rundt, men så kommer de til en trappe og bliver tvunget til at stoppe."

Yap og hans forskerhold har også vist, at fordi materialerne er så effektive til at lede eller stoppe elektricitet, det resulterende skifteforhold er højt. Med andre ord, hvor hurtigt materialerne kan tænde og slukke er flere størrelsesordener større end de nuværende grafenkontakter. På tur, denne hastighed kunne i sidste ende øge tempoet inden for elektronik og databehandling.

Løsning af halvleder-dilemmaet

For at komme til hurtigere og mindre computere en dag, Yap siger, at denne undersøgelse er en fortsættelse af tidligere forskning i at lave transistorer uden halvledere. Problemet med halvledere som silicium er, at de kun kan blive så små, og de afgiver meget varme; brugen af ​​grafen og nanorør omgår disse problemer. Ud over, nanorørene af grafen og bornitrid har det samme atomarrangementsmønster, eller gittertilpasning. Med deres rettede atomer, de digitale grafen-nanorør-kontakter kunne undgå problemerne med elektronspredning.

"Du vil styre retningen af ​​elektronerne, " Yap forklarer, sammenligne udfordringen med en flippermaskine, der fanger, bremser og omdirigerer elektroner. "Dette er svært i højhastighedsmiljøer, og elektronspredningen reducerer antallet og hastigheden af ​​elektroner."

Meget ligesom en arkadeentusiast, Yap siger, at han og hans team vil fortsætte med at forsøge at finde måder at overliste eller ændre flipperspilleopsætningen af ​​grafen for at minimere elektronspredning. Og en dag, alle deres tweaks kunne give hurtigere computere – og digitale flipperspil – for resten af ​​os.