Gennembrud i søgen efter grafen-baseret elektronik

I 15 år, forskere har forsøgt at udnytte "mirakelmaterialet" grafen til at producere elektronik i nanoskala. På skrift, grafen burde være fantastisk til netop det:det er ultratyndt - kun et atom tykt og derfor todimensionelt, den er fremragende til at lede elektrisk strøm, og rummer store løfter for fremtidige former for elektronik, der er hurtigere og mere energieffektive. Ud over, grafen består af kulstofatomer – som vi har en ubegrænset forsyning af.

I teorien, grafen kan ændres til at udføre mange forskellige opgaver inden for f.eks. elektronik, fotonik eller sensorer blot ved at skære små mønstre i det, da dette fundamentalt ændrer dets kvanteegenskaber. En "simpel" opgave, hvilket har vist sig at være overraskende svært, er at inducere et båndgab - hvilket er afgørende for fremstilling af transistorer og optoelektroniske enheder. Imidlertid, da grafen kun er et atom tykt, er alle atomer vigtige, og selv små uregelmæssigheder i mønsteret kan ødelægge dets egenskaber.

"Graphene er et fantastisk materiale, som jeg tror vil spille en afgørende rolle i at lave ny elektronik i nanoskala. Problemet er, at det er ekstremt svært at konstruere de elektriske egenskaber, siger Peter Bøggild, professor ved DTU Fysik.

Center for Nanostruktureret Grafen DTU og Aalborg Universitet blev etableret i 2012 specifikt for at undersøge, hvordan grafens elektriske egenskaber kan skræddersyes ved at ændre dens form i ekstremt lille skala. Når man rent faktisk mønstrer grafen, holdet af forskere fra DTU og Aalborg oplevede det samme som andre forskere verden over:det virkede ikke.

"Når du laver mønstre i et materiale som grafen, du gør det for at ændre dens egenskaber på en kontrolleret måde - for at matche dit design. Imidlertid, hvad vi har set gennem årene er, at vi kan lave hullerne, men ikke uden at indføre så meget uorden og forurening, at det ikke længere opfører sig som grafen. Det minder lidt om at lave et vandrør, der er delvist blokeret på grund af dårlig fremstilling. På ydersiden, det ser måske fint ud men vand kan ikke flyde frit. For elektronik, det er åbenbart katastrofalt, " siger Peter Bøggild.

Nu, holdet af videnskabsmænd har løst problemet. Resultaterne offentliggøres i Natur nanoteknologi .To postdocs fra DTU Fysik, Bjarke Jessen og Lene Gammelgaard, først indkapslet grafen inde i et andet todimensionalt materiale - sekskantet bornitrid, et ikke-ledende materiale, der ofte bruges til at beskytte grafens egenskaber.

Næste, de brugte en teknik kaldet elektronstrålelitografi til omhyggeligt at mønstre det beskyttende lag af bornitrid og grafen nedenfor med en tæt række af ultrasmå huller. Hullerne har en diameter på ca. 20 nanometer, med kun 12 nanometer imellem dem – dog ruheden ved kanten af ​​hullerne er mindre end 1 nanometer, eller en milliardtedel af en meter. Dette tillader 1000 gange mere elektrisk strøm at flyde, end der var blevet rapporteret i så små grafenstrukturer. Og ikke kun det.

"Vi har vist, at vi kan kontrollere grafens båndstruktur og designe, hvordan det skal opføre sig. Når vi styrer båndstrukturen, vi har adgang til alle grafens egenskaber - og vi fandt til vores overraskelse, at nogle af de mest subtile kvanteelektroniske effekter overlever det tætte mønster - det er ekstremt opmuntrende. Vores arbejde tyder på, at vi kan sidde foran computeren og designe komponenter og enheder – eller finde på noget helt nyt – og så gå i laboratoriet og realisere dem i praksis, " siger Peter Bøggild. Han fortsætter:

"Mange videnskabsmænd havde for længst opgivet forsøget på nanolitografi i grafen på denne skala, og det er ret synd, da nanostrukturering er et afgørende værktøj til at udnytte de mest spændende funktioner ved grafenelektronik og fotonik. Nu har vi fundet ud af, hvordan det kan lade sig gøre; man kan sige, at forbandelsen er ophævet. Der er andre udfordringer, men det faktum, at vi kan skræddersy elektroniske egenskaber af grafen, er et stort skridt i retning af at skabe ny elektronik med ekstremt små dimensioner, " siger Peter Bøggild.