Istraživači stvorili prvi funkcionalni poluvodič napravljen od grafena
Tehnologija koja otvara put manjim i bržim elektroničkim uređajima, uz potencijalne aplikacije u kvantnom računalstvu, predstavlja značajan napredak u svijetu elektronike.

Na Georgia Institute of Technology, istraživački tim je razvio prvi funkcionalni poluvodič izrađen od grafena, materijala koji se sastoji od jednog sloja ugljikovih atoma, povezanih najjačim poznatim kemijskim vezama. Poluvodiči su materijali koji pod određenim uvjetima provode električnu struju, a predstavljaju ključne komponente u elektroničkim uređajima. Ovaj proboj otvara potpuno novi pristup radu s elektronikom.

Otkriće dolazi u vrijeme kada silicij, osnovni materijal moderne elektronike, doživljava svojevrsni limit u suočavanju s brzorastućim zahtjevima računalstva i trendom miniaturizacije elektroničkih uređaja. Tim predvođen Walterom de Heerom, Regents' profesorom fizike na Georgia Techu, s radnim mjestima u Atlanti, Georgia, i Tianjinu, Kina, uspio je proizvesti grafenski poluvodič kompatibilan s konvencionalnim mikroelektroničkim metodama obrade, što je ključno za svaku održivu alternativu siliciju.

U ovom najnovijem istraživanju, objavljenom u časopisu "Nature", de Heer i njegov tim uspjeli su prevladati glavnu prepreku koja je desetljećima ometala istraživanje grafena - problem poznat kao "razmak između pojaseva". Ovo je ključno elektroničko svojstvo koje omogućava poluvodičima da se uključe i isključe. Do sada, grafen nije imao ovu karakteristiku.

Nova era poluvodiča
De Heer je od ranih dana svoje karijere bio fokusiran na istraživanje materijala na bazi ugljika kao potencijalnih poluvodiča, a svoj fokus prebacio je na 2D grafen 2001. godine. Tada je već bio svjestan elektroničkog potencijala grafena.

"Nadali smo se da ćemo moći iskoristiti tri jedinstvena svojstva grafena u elektronici," izjavio je de Heer. "To su njegova izvanredna čvrstoća, sposobnost podnošenja velikih struja bez pregrijavanja ili uništenja."

Ključni proboj postignut je kada su de Heer i njegov tim otkrili metodu uzgoja grafena na pločicama od silicij-karbida, koristeći posebne peći. Na taj način, proizveli su epitaksijalni grafen - jednoslojni grafen koji raste na kristalnoj površini silicij-karbida. Tim je otkrio da se epitaksijalni grafen kemijski veže za silicij-karbid te počinje pokazivati svojstva poluvodiča kada je pravilno obrađen.

Tijekom sljedećeg desetljeća, istraživački tim na Georgia Techu, u suradnji s kolegama iz Tianjinskog međunarodnog centra za nanočestice i nanosustave na Sveučilištu Tianjin u Kini, neprestano je unaprjeđivao ovaj materijal. De Heer je bio suosnivač ovog centra 2014. godine zajedno s Lei Ma, direktoricom centra i koautoricom navedenog istraživačkog rada.

Kako su to uspjeli: Stvaranje funkcionalnog grafenskog poluvodiča
U svojoj prirodnoj formi, grafen nije ni poluvodič ni metal, nego polumetal. Zazorni pojas, ključna karakteristika poluvodiča, omogućava materijalu da se 'uključuje' i 'isključuje' primjenom električnog polja, što je osnovni princip rada svih tranzistora i silicijske elektronike. Glavni izazov u istraživanju grafenske elektronike bio je pronaći način kako ga učinkovito 'uključiti' i 'isključiti', slično siliciju.

Da bi se stvorio funkcionalan tranzistor, neophodno je temeljito manipulirati poluvodičkim materijalom. Međutim, ova manipulacija često može oštetiti osnovna svojstva materijala. Kako bi demonstrirali da njihova platforma može djelovati kao održiv poluvodič, tim je morao izmjeriti elektronička svojstva grafena bez nanošenja štete.

Ključna tehnika koju su koristili bila je dodavanje atoma na grafen koji 'doniraju' elektrone sustavu, proces poznat kao dopiranje. Dopiranje se koristi za provjeru vodljivosti materijala. Ovaj pristup je uspio bez oštećenja strukture ili funkcionalnosti grafena.

Tim je izvršio mjerenja koja su pokazala da njihov grafenski poluvodič ima deset puta veću mobilnost elektrona u usporedbi s silicijem. To znači da se elektroni u grafenu kreću s manje otpora, što u svijetu elektronike vodi do bržeg računanja. "To se može usporediti s vožnjom po neravnoj cesti nasuprot vožnji po autocesti", slikovito je objasnio de Heer. "To je efikasnije, manje se zagrijava i omogućuje veću brzinu, što znači da se elektroni mogu kretati brže."

Proizvod ovog tima trenutno je jedini dvodimenzionalni poluvodič koji posjeduje sve ključne osobine za primjenu u nanoelektronici. Njegova električna svojstva nadmašuju sva druga svojstva dvodimenzionalnih poluvodiča koji se trenutno razvijaju, čineći ga vodećim kandidatom u ovoj tehnološkoj areni.

Izvor: Georgia Institute of Technology