Grafeenil põhineval pooljuhil on kasulik ribalaius ja suur elektronide liikuvus – füüsikamaailm

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Epigrafeen kiibil: meeskonna grafeeniseadet kasvatati ränikarbiidi substraadil. (Viisakalt: Georgia Tehnoloogiainstituut)

Hiina ja USA teadlased on loonud grafeenist valmistatud funktsionaalse pooljuhi, mida nad kirjeldavad esmakordsena. Laiendades olemasolevaid tootmistehnikaid, Walter de Heer ja kolleegid Tianjini ülikoolist ja Georgia tehnoloogiainstituudist on loonud 2D-materjalis ribalaiuse, säilitades samal ajal grafeeni tugevad ja kergesti häälestatavad omadused.

Räni on kaasaegse pooljuhtelektroonika selgroog. Uusimaid ränipõhiseid tehnoloogiaid venitab aga meie lakkamatu nõudlus suuremate arvutuskiiruste, väiksema energiatarbimise ja kompaktsemate seadmete järele.

Juba kaks aastakümmet on teadlased uurinud võimalust, et grafeen võiks olla ränile praktiline alternatiiv. Esmakordselt 2004. aastal eraldatud grafeen on vaid ühe aatomi paksune süsinikuleht. Sellest ajast alates on teadlased leidnud, et grafeenil on mitmeid omadusi, mis võivad muuta selle elektroonikaseadmete jaoks väga kasulikuks. Nende hulka kuulub suur elektronide liikuvus; tugev, kerge ja väga kompaktne struktuur; ja suurepärane soojuse hajutamine.

Üks oluline puudus

Grafeenil on aga üks oluline puudus. Erinevalt tavapärastest pooljuhtidest puudub grafeenil sisemine elektronide ribalaius. See on energiabarjäär, mille elektronid peavad elektri juhtimiseks ületama. See on ribalaius, mis võimaldab pooljuhtidest valmistada elektroonilisi lüliteid (transistore).

"Pikaajaline probleem grafeenielektroonikas on see, et grafeenil ei olnud õiget ribalaiust ja see ei saanud õiges vahekorras sisse ja välja lülituda," selgitab kaasautor Lei Ma, kes oli selle kaasasutaja. Tianjini rahvusvaheline nanoosakeste ja nanosüsteemide keskus koos de Heeriga. "Aastate jooksul on paljud püüdnud seda erinevate meetoditega lahendada."

Varasemad uuringud on püüdnud luua sobivaid ribalaiusi, kasutades selliseid tehnikaid nagu kvantpiirang ja puhta grafeeni keemiline modifitseerimine. Seni on need lähenemisviisid aga andnud väga vähe edu.

"Pidime õppima, kuidas [grafeeni] töödelda, kuidas seda paremaks ja paremaks muuta ja lõpuks selle omadusi mõõta, " selgitab de Heer. "See võttis väga-väga kaua aega."

Spontaanne kasv

Oma viimastes uuringutes on teadlased esimest korda näidanud, kuidas ribalaiusega pooljuhte "epigrafeeni" saab ränikarbiidi kristallide pinnal spontaanselt kasvatada.

Varasemad uuringud näitasid, et kõrgel temperatuuril sublimeerub räni nende kristallide pinnalt, jättes maha süsinikurikkad kihid. Need kihid kristalliseeruvad ümber mitmekihiliseks epigrafeeniks, millel on piiratud pooljuhtivad omadused.

Seda tehnikat laiendades on de Heer ja Ma meeskond välja töötanud uue lõõmutamismeetodi, mille käigus nad kontrollisid hoolikalt proovi temperatuuri ja epigrafeeni moodustumise kiirust. Nad lõid tugeva grafeenikihi, mis kasvab makroskoopilistel, aatomiliselt tasastel terrassidel. Veelgi enam, grafeeni aatomid on joondatud ränikarbiidi substraadi võrega.

Kasulik bandgap

Hoolikate mõõtmiste abil näitas meeskond, et see kiht on suurepärane 2D-pooljuht. Sellel on kasulik ribalaius, mis on teadlastest aastakümneid kõrvale hiilinud, koos elektronide suure liikuvusega.

Grafeenpaelad edendavad twistronikat

"Meil on nüüd äärmiselt vastupidav grafeenpooljuht, mille liikuvus on 10 korda suurem kui räni ja millel on ka ainulaadsed omadused, mida räni puhul pole saadaval," entunistab de Heer. Ta võrdleb elektronide liikuvust ränis kruusateel sõitmisega, samas kui epigrafeen on nagu elektronide kiirtee. "See on tõhusam, see ei kuumene nii palju ja võimaldab suuremat kiirust, et elektronid saaksid kiiremini liikuda, " selgitab de Heer.

Lisaks sellele näitas meeskond ka seda, et nende epigrafeeni saab selle elektrooniliste ja magnetiliste omaduste täpsustamiseks legeerida paljude aatomite ja molekulidega. Materjali saab ka nanomustriga muuta, et veelgi parandada selle jõudlust – nanomustrit on väga raske teha muudel substraatidel kasvatatud grafeeniga.

De Heer, Ma ja nende kolleegid loodavad, et nende tehnika võib sillutada teed täiesti uuele lähenemisele pooljuhtide tootmisele ja võib lõppkokkuvõttes olla oluline esimene samm uue põlvkonna grafeenipõhise elektroonika suunas.

Uuringut kirjeldatakse artiklis loodus.