Cercetătorii de la Georgia Institute of Technology au creat primul semiconductor funcțional din lume realizat din grafen, un singur strat de atomi de carbon legați împreună prin cele mai puternice legături cunoscute. Semiconductorii, materiale care conduc electricitatea în condiții specifice, sunt componente fundamentale ale dispozitivelor electronice. Progresele lor au deschis calea unei noi modalități de fabricare a electronicelor. Descoperirea lor vine într-un moment în care siliciul, materialul din care sunt fabricate aproape toate electronicele moderne, atinge limitele sale în fața calculării din ce în ce mai rapide și a dispozitivelor electronice mai mici. Walter de Heer, profesor regent de fizică la Georgia Tech, a condus o echipă de cercetători din Atlanta, Georgia, și Tianjin, China, pentru a produce un semiconductor din grafen compatibil cu metodele convenționale de prelucrare a microelectronicii – o necesitate pentru orice alternativă viabilă la siliciu. În cea mai recentă cercetare, publicată în Nature, de Heer și echipa sa au depășit obstacolul primordial care a afectat cercetarea grafenului de zeci de ani, motiv pentru care mulți credeau că electronicele din grafen nu vor funcționa niciodată. Cunoscut sub numele de “bandă de ruptură”, este o proprietate electronică crucială care permite semiconductorilor să se aprindă și să se stingă. Grafenul nu avea un domeniu de energie interzisă (band gap) – până acum.

“Acum avem un semiconductor de grafen extrem de robust cu o mobilitate de 10 ori mai mare decât cea a siliciului, și care are și proprietăți unice care nu sunt disponibile în siliciu”, a spus de Heer. “Dar povestea muncii noastre din ultimii 10 ani a fost: ‘Putem să obținem ca acest material să fie suficient de bun pentru a funcționa?'”

Un tip nou de semiconductor

De Heer a început să exploreze materialele pe bază de carbon ca semiconductori potențiali la începutul carierei sale, apoi a trecut la explorarea grafenului bidimensional în 2001. Știa atunci că grafenul avea potențial pentru electronice.

“Am fost motivați de speranța introducerii a trei proprietăți speciale ale grafenului în electronică”, a spus el. “Este un material extrem de robust, unul care poate rezista la curenți foarte mari și poate face acest lucru fără să se încălzească și să se descompună.”

De Heer a realizat o descoperire când el și echipa sa au reușit să crească grafen pe wafere de carbură de siliciu folosind cuptoare speciale. Au produs grafen epitaxial, care este un singur strat care crește pe o fațetă cristalină a carburei de siliciu. Echipa a descoperit că, atunci când era făcută corect, grafenul epitaxial se lega chimic de carbura de siliciu și începea să prezinte proprietăți semiconductoare. În următorul deceniu, ei au persistat în perfecționarea materialului la Georgia Tech și mai târziu în colaborare cu colegi la Centrul Internațional Tianjin pentru Nanoparticule și Nanosisteme de la Universitatea Tianjin din China. De Heer a înființat centrul în 2014 împreună cu Lei Ma, directorul centrului și coautor al articolului.

Cum au făcut acest lucru

În forma sa naturală, grafenul nu este nici un semiconductor, nici un metal, ci un semimetal. Banda de ruptură (domeniu de energie interzisă) este un material care poate fi pornit și oprit atunci când i se aplică un câmp electric, ceea ce reprezintă modul în care funcționează toate tranzistoarele și electronicele cu siliciu. Principala întrebare în cercetarea electronicii cu grafen a fost cum să-i comuți pentru a funcționa ca siliciul. Dar pentru a face un tranzistor funcțional, un material semiconductor trebuie manipulat foarte mult, ceea ce poate deteriora proprietățile sale. Pentru a dovedi că platforma lor ar putea funcționa ca un semiconductor viabil, echipa a avut nevoie să măsoare proprietățile sale electronice fără a le deteriora. Au pus atomi pe grafen care “donează” electroni sistemului – o tehnică numită dopare, utilizată pentru a vedea dacă materialul este un bun conductor. A funcționat fără să deterioreze materialul sau proprietățile acestuia. Măsurătorile echipei au arătat că semiconductorul lor din grafen are o mobilitate de 10 ori mai mare decât cea a siliciului. Adică, electronii se mișcă cu o rezistență foarte scăzută, ceea ce, în electronică, se traduce prin putere de calcul mai rapidă.

“Este ca și cum ai conduce pe un drum pietruit față de a conduce pe o autostradă”, a spus de Heer. “Este mai eficient, nu se încălzește la fel de mult și permite viteze mai mari, astfel încât electronii să se poată mișca mai repede.”

Produsul echipei este în prezent singurul semiconductor bidimensional care are toate proprietățile necesare pentru a fi utilizat în nanoelectronică, iar proprietățile sale electrice sunt cu mult superioare oricăror altor semiconductori 2D în curs de dezvoltare.

“O problemă de lungă durată în electronica din grafen este că grafenul nu avea banda de ruptură corectă și nu putea fi pornit și oprit la raportul corect”, a spus Ma. „De-a lungul anilor, mulți au încercat să abordeze acest lucru cu o varietate de metode. Tehnologia noastră folosește domeniu de energie interzisă și este un pas crucial în realizarea electronicii bazate pe grafen.”

Urmatorul pas

Grafenul epitaxial ar putea provoca o schimbare de paradigmă în domeniul electronicii și ar putea permite tehnologii complet noi care profită de proprietățile sale unice. Materialul permite utilizarea proprietăților de undă cuantice mecanice ale electronilor, care este o cerință pentru calculatoarele cuantice.

“Motivația noastră pentru a face electronică din grafen a fost acolo de mult timp, iar restul a fost doar să o facem să se întâmple”, a spus de Heer. „A trebuit să învățăm cum să tratăm materialul, cum să-l facem din bun și mai bun și, în cele din urmă, cum să măsurăm proprietățile. A durat foarte mult timp.”

Potrivit lui de Heer, nu este neobișnuit să vedem încă o generație de electronice pe drum. Înainte de siliciu, existau tuburi cu vid, iar înainte de aceasta, exista cabluri și telegrafie. Siliciul este unul dintre multele etape din istoria electronicii, iar următorul pas ar putea fi grafenul.

„Pentru mine, acesta este ca un moment al fraților Wright”, a spus de Heer. „Au construit un avion care putea zbura la 300 de picioare prin aer. Dar scepticii au întrebat de ce ar avea nevoie lumea de zbor când existau deja trenuri și bărci rapide. Dar au persistat, iar acesta a fost începutul unei tehnologii care a dus duce oamenii peste oceane.”

Sursa: https://research.gatech.edu/

Această descoperire ar putea duce la o nouă generație de dispozitive electronice, cum ar fi:

• Calculatoare mai rapide și mai eficiente: Grafenul are o mobilitate de electroni mai mare decât siliciul, ceea ce înseamnă că poate procesa informații mai repede.
• Dispozitive mai mici și mai puternice: Grafenul este un material foarte subțire și puternic, ceea ce îl face ideal pentru dispozitive miniaturizate.
• Dispozitive care sunt mai eficiente din punct de vedere energetic: Grafenul necesită mai puțină energie pentru a funcționa decât siliciul, ceea ce ar putea duce la dispozitive mai durabile și mai ecologice.

În timp ce cercetarea este încă în curs, descoperirea echipei de la Georgia Tech este un pas important către o nouă era a electronicii.