Polprevodnik na osnovi grafena ima uporabno pasovno vrzel in visoko mobilnost elektronov – Svet fizike

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Epigrafen na čipu: grafenska naprava ekipe je bila gojena na substratu iz silicijevega karbida. (Z dovoljenjem: Georgia Institute of Technology)

Raziskovalci na Kitajskem in v ZDA so ustvarili funkcionalen polprevodnik iz grafena, podvig, ki ga opisujejo kot prvi. Z razširitvijo obstoječih tehnik izdelave, Walter de Heer in kolegi na univerzi Tianjin in tehnološkem inštitutu Georgia so ustvarili pasovno vrzel v 2D materialu, pri čemer so ohranili robustne in enostavno nastavljive lastnosti grafena.

Silicij je hrbtenica sodobne polprevodniške elektronike. Vendar pa najnovejše tehnologije, ki temeljijo na siliciju, raztezajo do svojih meja zaradi naše neusmiljene zahteve po višjih računalniških hitrostih, nižji porabi energije in bolj kompaktnih napravah.

Že dve desetletji raziskovalci preučujejo možnost, da bi grafen lahko ponudil praktično alternativo siliciju. Grafen, prvič izoliran leta 2004, je plast ogljika, debela le en atom. Od takrat so raziskovalci ugotovili, da ima grafen številne lastnosti, zaradi katerih bi lahko bil zelo uporaben za elektronske naprave. Ti vključujejo visoko mobilnost elektronov; močna, lahka, zelo kompaktna struktura; in odlično odvajanje toplote.

Ena velika pomanjkljivost

Vendar ima grafen eno veliko pomanjkljivost. Za razliko od običajnih polprevodnikov grafen nima notranjega elektronskega pasu. To je energijska ovira, ki jo morajo elektroni premagati, da prevajajo elektriko. Pasovna vrzel omogoča izdelavo elektronskih stikal (tranzistorjev) iz polprevodnikov.

"Dolgotrajna težava v grafenski elektroniki je, da grafen ni imel pravega pasovnega razmika in se ni mogel vklopiti in izklopiti v pravilnem razmerju," pojasnjuje soavtor Lei Ma, ki je soustanovil Mednarodni center za nanodelce in nanosisteme Tianjin z de Heerjem. "V preteklih letih so mnogi poskušali to rešiti z različnimi metodami."

Prejšnje študije so poskušale oblikovati ustrezne pasove z uporabo tehnik, kot sta kvantna omejitev in kemična modifikacija čistega grafena. Vendar pa so ti pristopi doslej zelo malo uspeli.

"Morali smo se naučiti, kako ravnati z [grafenom], kako ga narediti vse boljšega in končno, kako izmeriti njegove lastnosti," pojasnjuje de Heer. "To je trajalo zelo, zelo dolgo."

Spontana rast

V svojih najnovejših raziskavah so raziskovalci prvič pokazali, kako lahko polprevodniški pasovni razmik "epigrafen" raste spontano na površinah kristalov silicijevega karbida.

Prejšnje raziskave so pokazale, da pri visokih temperaturah silicij sublimira s površin teh kristalov in za seboj pusti plasti, bogate z ogljikom. Te plasti se rekristalizirajo v večplastni epigrafen, ki ima omejene polprevodniške lastnosti.

Z razširitvijo te tehnike sta de Heer in Maova ekipa razvila novo metodo žarjenja, pri kateri so skrbno nadzorovali temperaturo vzorca in hitrost tvorbe epigrafena. Ustvarili so robusten sloj grafena, ki raste v makroskopskih, atomsko ravnih terasah. Še več, atomi grafena so poravnani z mrežo substrata iz silicijevega karbida.

Uporabna pasovna vrzel

S skrbnimi meritvami je ekipa pokazala, da je ta plast odličen 2D polprevodnik. Ima uporabno pasovno vrzel, ki se desetletja izmika raziskovalcem, skupaj z visoko mobilnostjo elektronov.

Graphene ribbons advance twistronics

"Zdaj imamo izjemno robusten grafenski polprevodnik z 10-kratno mobilnostjo silicija in ima tudi edinstvene lastnosti, ki niso na voljo v siliciju," je navdušen de Heer. Mobilnost elektronov v siliciju primerja z vožnjo po makadamski cesti, medtem ko je epigrafen kot avtocesta za elektrone. »Je učinkovitejši, ne segreje se tako močno in omogoča višje hitrosti, tako da se lahko elektroni premikajo hitreje,« pojasnjuje de Heer.

Poleg te uspešnosti je ekipa tudi pokazala, da je njihov epigrafen mogoče dopirati s širokim naborom atomov in molekul za natančno nastavitev njegovih elektronskih in magnetnih lastnosti. Materialu je mogoče oblikovati tudi nanovzorce, da bi še dodatno izboljšali njegovo učinkovitost – nanovzorce je zelo težko narediti z grafenom, gojenim na drugih substratih.

De Heer, Ma in njihovi kolegi upajo, da bi njihova tehnika lahko utrla pot povsem novemu pristopu k proizvodnji polprevodnikov in bi lahko bila na koncu ključni prvi korak k novi generaciji elektronike na osnovi grafena.

Raziskava je opisana v Narava.