Istraživači sa Tehnološkog instituta Džordžije stvorili su prvi funkcionalni poluprovodnik na svetu napravljen od grafena, jednog sloja atoma ugljenika koji se drži zajedno najjačim poznatim vezama. Poluprovodnici, koji su materijali koji provode električnu energiju pod određenim uslovima, predstavljaju osnovne komponente elektronskih uređaja. Proboj tima otvara vrata novom načinu rada u elektronici.
Njihovo otkriće dolazi u trenutku kada silicijum, materijal od kojeg je napravljena skoro sva moderna elektronika, dostiže svoju granicu pred sve bržim računarima i manjim elektronskim uređajima.
Valter de Heer, profesor fizike Regents-a na Georgia Tech-u, predvodio je tim istraživača sa sedištem u Atlanti, Džordžija, i Tianjinu u Kini, da proizvedu grafenski poluprovodnik koji je kompatibilan sa konvencionalnim metodama obrade mikroelektronike – što je neophodno za svaku održivu alternativu silicijum.
U ovom najnovijem istraživanju, objavljenom u časopisu Nature, de Heer i njegov tim su prevazišli najveću prepreku koja je decenijama mučila istraživanje grafena i razlog zašto su mnogi mislili da elektronika grafena nikada neće raditi. Poznat kao „pojasni jaz“, to je ključno elektronsko svojstvo koje omogućava poluprovodnicima da se uključuju i isključuju. Grafen nije imao jaz u pojasu – do sada.
„Sada imamo izuzetno robustan grafenski poluprovodnik sa 10 puta većom mobilnošću od silicijuma, a koji takođe ima jedinstvena svojstva koja nisu dostupna u silicijumu“, rekao je de Her. „Ali priča o našem radu u proteklih 10 godina je bila: ‘Možemo li naterati ovaj materijal da bude dovoljno dobar za rad?’
De Her je počeo da istražuje materijale zasnovane na ugljeniku kao potencijalne poluprovodnike rano u svojoj karijeri, a zatim je prešao na istraživanje dvodimenzionalnog grafena 2001. Tada je znao da grafen ima potencijal za elektroniku.
„Bili smo motivisani nadom da ćemo u elektroniku uvesti tri posebna svojstva grafena“, rekao je on. „To je izuzetno robustan materijal, koji može da izdrži veoma velike struje i može to učiniti bez zagrevanja i raspadanja.
De Heer je postigao proboj kada su on i njegov tim shvatili kako da uzgajaju grafen na pločicama od silicijum karbida koristeći posebne peći. Proizveli su epitaksijalni grafen, koji je jedan sloj koji raste na kristalnoj površini silicijum karbida. Tim je otkrio da kada je pravilno napravljen, epitaksijalni grafen se hemijski vezuje za silicijum karbid i počinje da pokazuje poluprovodna svojstva.
Tokom naredne decenije, istrajavali su na usavršavanju materijala na Georgia Tech-u, a kasnije u saradnji sa kolegama u Međunarodnom centru za nanočestice i nanosisteme u Tianjin na Univerzitetu Tianjin u Kini. De Heer je osnovao centar 2014. godine sa Lei Maom, direktorom centra i koautorom rada.
U svom prirodnom obliku, grafen nije ni poluprovodnik ni metal, već polumetal. Razmak u pojasu je materijal koji se može uključiti i isključiti kada se na njega primeni električno polje, na taj način rade svi tranzistori i silicijumska elektronika. Glavno pitanje u istraživanju elektronike grafena bilo je kako ga uključiti i isključiti da bi mogao da radi kao silicijum.
Ali da bi se napravio funkcionalan tranzistor, poluprovodnički materijal mora biti u velikoj meri manipulisan, što može oštetiti njegova svojstva. Da bi dokazao da njihova platforma može da funkcioniše kao održiv poluprovodnik, tim je morao da izmeri njena elektronska svojstva bez oštećenja.
Stavili su atome na grafen koji „doniraju“ elektrone sistemu – tehnika koja se zove doping, koja se koristi da se vidi da li je materijal dobar provodnik. Radio je bez oštećenja materijala ili njegovih svojstava.
Merenja tima su pokazala da njihov grafenski poluprovodnik ima 10 puta veću pokretljivost od silicijuma. Drugim rečima, elektroni se kreću sa veoma malim otporom, što u elektronici znači brže računarstvo. „To je kao vožnja po makadamskom putu u odnosu na vožnju autoputem“, rekao je de Her. „Efikasniji je, ne zagreva se toliko i omogućava veće brzine tako da se elektroni mogu kretati brže.“
Proizvod tima je trenutno jedini dvodimenzionalni poluprovodnik koji ima sva neophodna svojstva za upotrebu u nanoelektronici, a njegova električna svojstva su daleko superiornija od svih drugih 2D poluprovodnika koji su trenutno u razvoju.
„Dugotrajni problem u elektronici grafena je taj što grafen nije imao pravi razmak i nije mogao da se uključi i isključi u ispravnom odnosu“, rekao je Ma. „Tokom godina, mnogi su pokušavali da se pozabave ovim problemom različitim metodama. Naša tehnologija postiže prazninu u pojasu i predstavlja ključni korak u realizaciji elektronike zasnovane na grafenu.“
Epitaksijalni grafen bi mogao da izazove promenu paradigme u oblasti elektronike i omogući potpuno nove tehnologije koje koriste prednosti njegovih jedinstvenih svojstava. Materijal omogućava da se iskoriste kvantnomehaničke talasne osobine elektrona, što je uslov za kvantno računarstvo.
„Naša motivacija za bavljenje grafenskom elektronikom postoji već dugo vremena, a ostalo je samo da se to dogodi“, rekao je de Her. „Morali smo da naučimo kako da tretiramo materijal, kako da ga učinimo boljim i boljim, i na kraju kako da merimo svojstva. To je trajalo veoma, veoma dugo.
Prema de Heeru, nije neobično videti još jednu generaciju elektronike na putu. Pre silicijuma postojale su vakuumske cevi, a pre toga žice i telegrafi. Silicijum je jedan od mnogih koraka u istoriji elektronike, a sledeći korak bi mogao biti grafen.
„Za mene je ovo kao trenutak braće Rajt“, rekao je de Her. „Napravili su avion koji je mogao da leti 300 stopa kroz vazduh. Ali skeptici su pitali zašto bi svetu bio potreban let kada je već imao brze vozove i čamce. Ali oni su ustrajali, i to je bio početak tehnologije koja može da vodi ljude preko okeani“.
