Forskere tar et steg mot grafenelektronikk

Forskere fra Georgia Institute of Technology, National High Magnetic Field Laboratory, Tianjin University, CNRS og Kwansei Gakuin University har utviklet en ny grafenbasert nanoelektronikkplattform som er kompatibel med konvensjonell mikroelektronikk-produksjon, og muligens baner vei for en etterfølger til silisium.

Walter de Heer, Regents' Professor i School of Physics ved Georgia Institute of Technology, og hans samarbeidspartnere, har utviklet en ny nanoelektronikkplattform basert på grafen. Teknologien er kompatibel med konvensjonell mikroelektronikkproduksjon, en nødvendighet for ethvert levedyktig alternativ til silisium. I løpet av sin forskning kan teamet også ha oppdaget en ny kvasipartikkel. Oppdagelsen deres kan føre til produksjon av mindre, raskere, mer effektive og mer bærekraftige databrikker, og har potensielle implikasjoner for kvante- og høyytelsesdatabehandling.

“Graphens kraft ligger i den flate, todimensjonale strukturen som holdes sammen av de sterkeste kjemiske bindingene som er kjent,” sa de Heer. “Det var klart fra begynnelsen at grafen kan miniatyriseres i langt større grad enn silisium – noe som muliggjør mye mindre enheter, samtidig som de opererer med høyere hastigheter og produserer mye mindre varme. Dette betyr at i prinsippet kan flere enheter pakkes på en enkelt brikke av grafen enn med silisium.”

I 2001 foreslo de Heer en alternativ form for elektronikk basert på epitaksial grafen, eller epigrafen – et lag med grafen som ble funnet å spontant danne seg på toppen av silisiumkarbidkrystall, en halvleder som brukes i høyeffektelektronikk. På den tiden fant forskere at elektriske strømmer flyter uten motstand langs epigrafens kanter, og at grafenenheter kunne kobles sømløst sammen uten metallledninger. Denne kombinasjonen gir mulighet for en form for elektronikk som er avhengig av de unike lyslignende egenskapene til grafenelektroner.

“Kvanteinterferens har blitt observert i karbon nanorør ved lave temperaturer, og vi forventer å se lignende effekter i epigrafenbånd og nettverk,” sa de Heer. “Denne viktige egenskapen til grafen er ikke mulig med silisium.”

For å lage den nye nanoelektronikkplattformen skapte forskerne en modifisert form for epigrafen på et silisiumkarbidkrystallsubstrat. I samarbeid med forskere ved Tianjin International Center for Nanoparticles and Nanosystems ved University of Tianjin, Kina, produserte de unike silisiumkarbidbrikker fra silisiumkarbidkrystaller av elektronikkkvalitet. Selve grafenet ble dyrket ved de Heers laboratorium ved Georgia Tech ved bruk av patenterte ovner.

Forskerne brukte elektronstrålelitografi, en metode som vanligvis brukes i mikroelektronikk, for å skjære ut grafennanostrukturene og sveise kantene deres til silisiumkarbidbrikkene. Denne prosessen stabiliserer og forsegler grafenens kanter mekanisk, som ellers ville reagere med oksygen og andre gasser som kan forstyrre bevegelsen til ladningene langs kanten.

Til slutt, for å måle de elektroniske egenskapene til grafenplattformen deres, brukte teamet et kryogent apparat som lar dem registrere egenskapene fra en nær null temperatur til romtemperatur.

De elektriske ladningene teamet observerte i grafen-kanttilstanden var lik fotoner i en optisk fiber som kan reise over store avstander uten spredning. De fant ut at ladningene reiste i titusenvis av nanometer langs kanten før de spredte seg. Grafenelektroner i tidligere teknologier kunne bare bevege seg rundt 10 nanometer før de støter på små ufullkommenheter og sprer seg i forskjellige retninger.

“Det som er spesielt med de elektriske ladningene i kantene er at de holder seg på kanten og fortsetter i samme hastighet, selv om kantene ikke er helt rette,” sa Claire Berger, fysikkprofessor ved Georgia Tech og forskningsdirektør ved det franske nasjonale senteret for vitenskapelig forskning i Grenoble, Frankrike.

I metaller bæres elektriske strømmer av negativt ladede elektroner. Men i motsetning til forskernes forventninger, antydet målingene deres at kantstrømmene ikke ble båret av elektroner eller av hull (en betegnelse på positive kvasipartikler som indikerer fravær av et elektron). Snarere ble strømmene båret av en høyst uvanlig kvasipartikkel som ikke har noen ladning og ingen energi, og som likevel beveger seg uten motstand. Komponentene til den hybride kvasipartikkelen ble observert å bevege seg på motsatte sider av grafenens kanter, til tross for at de var et enkelt objekt.

De unike egenskapene indikerer at kvasipartikkelen kan være en som fysikere har håpet å utnytte i flere tiår – den unnvikende Majorana-fermionen forutsagt av den italienske teoretiske fysikeren Ettore Majorana i 1937.

“Å utvikle elektronikk ved å bruke denne nye kvasipartikkelen i sømløst sammenkoblede grafennettverk er i endring,” sa de Heer.

Det vil sannsynligvis gå ytterligere fem til ti år før vi har den første grafenbaserte elektronikken, ifølge de Heer. Men takket være teamets nye epitaksiale grafenplattform, er teknologien nærmere enn noen gang å krone grafen som en etterfølger til silisium.

Kilde:

Tagger:

Skrevet: 22. desember 2022 av

Roni PelegLegg til ny kommentar