Chất bán dẫn dựa trên graphene có dải tần hữu ích và độ linh động điện tử cao

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Epigraphene trên một con chip: thiết bị graphene của nhóm được trồng trên chất nền cacbua silic. (Được phép: Viện Công nghệ Georgia)

Các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc và Mỹ đã tạo ra một chất bán dẫn chức năng làm từ graphene, một kỳ tích mà họ mô tả là lần đầu tiên. Bằng cách mở rộng các kỹ thuật chế tạo hiện có, Walter de Heer và các đồng nghiệp tại Đại học Thiên Tân và Viện Công nghệ Georgia vừa tạo ra một khoảng cách phát triển trong vật liệu 2D, trong khi vẫn giữ được các đặc tính bền và dễ điều chỉnh của graphene.

Silicon là xương sống của thiết bị điện tử bán dẫn hiện đại. Tuy nhiên, các công nghệ dựa trên silicon mới nhất đang bị đẩy đến giới hạn do nhu cầu không ngừng của chúng ta về tốc độ tính toán cao hơn, mức tiêu thụ điện năng thấp hơn và các thiết bị nhỏ gọn hơn.

Trong hai thập kỷ nay, các nhà nghiên cứu đã khám phá khả năng graphene có thể cung cấp một giải pháp thay thế thực tế cho silicon. Được phân lập lần đầu tiên vào năm 2004, graphene là một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng graphene có một số đặc tính có thể khiến nó trở nên rất hữu ích cho các thiết bị điện tử. Chúng bao gồm độ linh động điện tử cao; cấu trúc chắc chắn, nhẹ, rất nhỏ gọn; và tản nhiệt tuyệt vời.

Một nhược điểm lớn

Tuy nhiên, graphene có một nhược điểm lớn. Không giống như chất bán dẫn thông thường, graphene thiếu vùng cấm điện tử nội tại. Đây là rào cản năng lượng mà các electron phải vượt qua để dẫn điện. Đó là bandgap cho phép các công tắc điện tử (bóng bán dẫn) được chế tạo từ chất bán dẫn.

Đồng tác giả Lei Ma, người đồng sáng lập nhóm nghiên cứu, giải thích: “Một vấn đề tồn tại từ lâu trong thiết bị điện tử graphene là graphene không có dải tần phù hợp và không thể bật tắt theo tỷ lệ chính xác”. Trung tâm hạt nano và hệ thống nano quốc tế Thiên Tân với de Heer. “Trong nhiều năm, nhiều người đã cố gắng giải quyết vấn đề này bằng nhiều phương pháp khác nhau.”

Các nghiên cứu trước đây đã cố gắng thiết kế các vùng cấm thích hợp bằng cách sử dụng các kỹ thuật như giam cầm lượng tử và biến đổi hóa học của graphene nguyên chất. Tuy nhiên, cho đến nay, những phương pháp này mang lại rất ít thành công.

de Heer giải thích: “Chúng tôi phải học cách xử lý [graphene], cách làm cho nó ngày càng tốt hơn và cuối cùng là cách đo các đặc tính của nó”. “Việc đó mất rất, rất lâu.”

Tăng trưởng tự phát

Trong nghiên cứu mới nhất của mình, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên đã chỉ ra cách “epigraphene” bán dẫn vùng cấm có thể phát triển tự phát trên bề mặt của tinh thể cacbua silic.

Nghiên cứu trước đây đã tiết lộ rằng ở nhiệt độ cao, silicon thăng hoa trên bề mặt của những tinh thể này, để lại các lớp giàu carbon. Các lớp này kết tinh lại thành epigraphene nhiều lớp, có đặc tính bán dẫn hạn chế.

Mở rộng kỹ thuật này, nhóm của de Heer và Ma đã phát triển một phương pháp ủ mới, trong đó họ kiểm soát cẩn thận nhiệt độ mẫu và tốc độ hình thành epigraphene. Họ đã tạo ra một lớp graphene bền chắc có thể phát triển trên các bậc thang phẳng cấp độ nguyên tử. Hơn nữa, các nguyên tử graphene được sắp xếp thẳng hàng với mạng tinh thể của chất nền cacbua silic.

Khoảng cách hữu ích

Bằng cách thực hiện các phép đo cẩn thận, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng lớp này là chất bán dẫn 2D tuyệt vời. Nó có dải tần hữu ích mà các nhà nghiên cứu đã bỏ qua trong nhiều thập kỷ, cùng với độ linh động của điện tử cao.

Ruy băng graphene nâng cao công nghệ xoắn điện tử

De Heer hào hứng cho biết: “Hiện nay chúng tôi có một chất bán dẫn graphene cực kỳ bền với khả năng linh động gấp 10 lần silicon và nó cũng có những đặc tính độc đáo không có ở silicon”. Ông so sánh độ linh động của electron trong silicon với việc lái xe trên đường rải sỏi, trong khi epigraphene giống như đường cao tốc của electron. de Heer giải thích: “Nó hiệu quả hơn, không nóng lên nhiều và cho phép đạt tốc độ cao hơn để các electron có thể chuyển động nhanh hơn”.

Ngoài hiệu suất này, đội nghiên cứu còn chứng tỏ rằng epigraphene của họ có thể được pha tạp với nhiều nguyên tử và phân tử để tinh chỉnh các đặc tính điện tử và từ tính của nó. Vật liệu này cũng có thể được tạo mẫu nano để nâng cao hơn nữa hiệu suất của nó – việc tạo mẫu nano rất khó thực hiện với graphene được trồng trên các chất nền khác.

De Heer, Ma và các cộng sự hy vọng rằng kỹ thuật của họ có thể mở đường cho một cách tiếp cận hoàn toàn mới đối với việc sản xuất chất bán dẫn và cuối cùng có thể là bước quan trọng đầu tiên hướng tới một thế hệ điện tử dựa trên graphene mới.

Nghiên cứu được mô tả trong Thiên nhiên.