Enhed til at kontrollere farven på elektroner i grafen giver vej til fremtidig elektronik

En enhed lavet af tolags grafen, et atomisk tyndt sekskantet arrangement af kulstofatomer, giver eksperimentelt bevis på evnen til at kontrollere elektronernes momentum og tilbyder en vej til elektronik, der kan kræve mindre energi og afgive mindre varme end standard siliciumbaserede transistorer. Det er et skridt fremad i et nyt fysikfelt kaldet valleytronics.

"Nuværende siliciumbaserede transistorenheder er afhængige af ladningen af ​​elektroner for at tænde eller slukke for enheden, men mange laboratorier ser på nye måder at manipulere elektroner på baseret på andre variabler, kaldet frihedsgrader, "sagde Jun Zhu, lektor i fysik, Penn State, der ledede forskningen. "Opladning er én grad af frihed. Elektronspind er en anden, og evnen til at bygge transistorer baseret på spin, kaldet spintronics, er stadig på udviklingsstadiet. En tredje elektronisk frihedsgrad er elektronernes daltilstand, som er baseret på deres energi i forhold til deres momentum."

Tænk på elektroner som biler og dalstaterne som blå og røde farver, Zhu foreslog, bare som en måde at differentiere dem på. Inde i et ark tolags grafen, elektroner vil normalt indtage både røde og blå daltilstande og bevæge sig i alle retninger. Enheden hendes ph.d. studerende, Jing Li, har arbejdet på kan få de røde biler til at køre i den ene retning og de blå biler i den modsatte retning.

"Systemet, som Jing oprettede, sætter et par porte over og under et to -lags grafenark. Derefter tilføjer han et elektrisk felt vinkelret på planet, "Sagde Zhu.

"Ved at påføre en positiv spænding på den ene side og en negativ spænding på den anden, en båndgap åbnes i to -lags grafen, som den normalt ikke har, " Li forklarede. "I midten, mellem de to sider, vi efterlader et fysisk hul på omkring 70 nanometer. "

Inde i dette hul lever endimensionelle metalliske tilstande, eller ledninger, der er farvekodede motorveje til elektroner. De røde biler kører i en retning, og de blå biler kører i den modsatte retning. I teorien, farvede elektroner kunne rejse uhindret langs ledningerne i en lang afstand med meget lidt modstand. Mindre modstand betyder, at strømforbruget er lavere i elektroniske enheder, og der genereres mindre varme. Både strømforbrug og termisk styring er udfordringer i nuværende miniaturiserede enheder.

"Vores eksperimenter viser, at de metalliske ledninger kan skabes, " sagde Li. "Selvom vi stadig er langt fra ansøgninger."

Zhu tilføjede, "Det er ret bemærkelsesværdigt, at sådanne tilstande kan skabes i det indre af et isolerende tolags grafenark, ved at bruge nogle få porte. De er endnu ikke modstandsfrie, og vi laver flere eksperimenter for at forstå, hvor modstand kan komme fra. Vi forsøger også at bygge ventiler, der styrer elektronstrømmen baseret på elektronernes farve. Det er et nyt koncept for elektronik kaldet valleytronics."

Li arbejdede tæt sammen med det tekniske personale på Penn State's nanofabrikationsanlæg for at omdanne den teoretiske ramme til en fungerende enhed.

"Tilpasningen af ​​top- og bundportene var afgørende og ikke en triviel udfordring, " sagde Chad Eichfeld, nanolitografi ingeniør. "De avancerede elektronstrålelitografifunktioner ved Penn State Nanofabrication Laboratory gjorde det muligt for Jing at skabe denne nye enhed med funktioner i nanoskala."