Forskere kontrollerer egenskaberne af grafentransistorer ved hjælp af tryk

Et internationalt team af forskere ledet af Columbia University har udviklet en teknik til at manipulere den elektriske ledningsevne af grafen med kompression, at bringe materialet et skridt tættere på at være en levedygtig halvleder til brug i nutidens elektroniske enheder.

"Graphene er den bedste elektriske leder, vi kender til på Jorden, " sagde Matthew Yankowitz, en postdoc forsker i Columbias fysikafdeling og førsteforfatter på undersøgelsen. "Problemet er, at det er for godt til at lede elektricitet, og vi ved ikke, hvordan vi skal stoppe det effektivt. Vores arbejde etablerer for første gang en vej til at realisere et teknologisk relevant båndgab i grafen uden at gå på kompromis med dets kvalitet. Derudover hvis det anvendes til andre interessante kombinationer af 2-D materialer, den teknik, vi brugte, kan føre til nye opståede fænomener, såsom magnetisme, superledningsevne, og mere."

Studiet, finansieret af National Science Foundation og David and Lucille Packard Foundation, vises i 17. maj-udgaven af Natur .

De usædvanlige elektroniske egenskaber af grafen, et todimensionalt (2-D) materiale bestående af hexagonalt bundne carbonatomer, har begejstret fysikfællesskabet siden dets opdagelse for mere end et årti siden. Grafen er det stærkeste, det tyndeste materiale, der findes. Det er tilfældigvis også en overlegen leder af elektricitet - det unikke atomarrangement af kulstofatomerne i grafen tillader dets elektroner let at rejse med ekstrem høj hastighed uden den betydelige chance for spredning, sparer kostbar energi, der typisk går tabt i andre ledere.

Men at slukke for transmissionen af ​​elektroner gennem materialet uden at ændre eller ofre grafenens gunstige kvaliteter har vist sig at være mislykket til dato.

"Et af de store mål inden for grafenforskning er at finde ud af en måde at beholde alle de gode ting ved grafen på, men også skabe et båndgab - en elektrisk tænd-sluk-knap, " sagde Cory Dean, assisterende professor i fysik ved Columbia University og undersøgelsens hovedforsker. Han forklarede, at tidligere bestræbelser på at modificere grafen for at skabe et sådant båndgab har forringet grafens iboende gode egenskaber, gør det meget mindre nyttigt. Én overbygning viser løfte, imidlertid. Når grafen er klemt mellem lag af bornitrid (BN), en atomisk tynd elektrisk isolator, og de to materialer er rotationsjusteret, BN har vist sig at ændre den elektroniske struktur af grafen, skabe et båndgab, der gør det muligt for materialet at opføre sig som en halvleder - dvs. både som elektrisk leder og isolator. Båndgabet skabt af denne lagdeling alene, imidlertid, er ikke stor nok til at være nyttig i driften af ​​elektriske transistorenheder ved stuetemperatur.

I et forsøg på at øge dette bandgab, Yankowitz, Dekan, og deres kolleger ved National High Magnetic Field Laboratory, University of Seoul i Korea, og National University of Singapore, komprimerede lagene i BN-grafenstrukturen og fandt ud af, at påføring af tryk øgede størrelsen af ​​båndgabet væsentligt, mere effektivt blokere strømmen af ​​elektricitet gennem grafen.

"Når vi klemmer og lægger pres, bandforskellen vokser, " sagde Yankowitz. "Det er stadig ikke et stort nok hul - en stærk nok switch - til at blive brugt i transistorenheder ved stuetemperatur, men vi har fået en grundlæggende bedre forståelse af, hvorfor dette bandgab eksisterer i første omgang, hvordan det kan tunes, og hvordan vi kan målrette det i fremtiden. Transistorer er allestedsnærværende i vores moderne elektroniske enheder, så hvis vi kan finde en måde at bruge grafen som transistor, ville det have udbredte applikationer. "

Yankowitz tilføjede, at forskere har udført eksperimenter ved højt tryk i konventionelle tredimensionelle materialer i årevis, men ingen havde endnu fundet ud af en måde at gøre dem med 2-D materialer. Nu, forskere vil kunne teste, hvordan anvendelse af forskellige grader af tryk ændrer egenskaberne for en lang række kombinationer af stablede 2-D-materialer.

"Enhver ny ejendom, der skyldes kombinationen af ​​2-D-materialer, bør vokse sig stærkere, når materialerne komprimeres, " sagde Yankowitz. "Vi kan tage enhver af disse vilkårlige strukturer nu og klemme dem, og styrken af ​​den resulterende effekt kan justeres. Vi har tilføjet et nyt eksperimentelt værktøj til den værktøjskasse, vi bruger til at manipulere 2D-materialer, og det værktøj åbner ubegrænsede muligheder for at skabe enheder med designeregenskaber."