Prvý funkčný polovodič z grafénu naštartuje éru úplne nového typu elektroniky

Výskumníci z Technologického inštitútu v Georgii vytvorili prvý funkčný polovodič na svete vyrobený z grafénu, jediného plátu uhlíkových atómov, ktorý držia pohromade najsilnejšie známe väzby. Polovodiče, teda materiály, ktoré vedú elektrický prúd za špecifických podmienok, sú základnými komponentmi elektronických zariadení. Objav prichádza v čase, keď kremík, materiál, z ktorého sa vyrába takmer všetka moderná elektronika, naráža na svoje technologické limity. Grafénový polovodič je kompatibilný s konvenčnými metódami spracovania mikroelektroniky, čo je nevyhnutnosť pre akúkoľvek životaschopnú alternatívu ku kremíku. 

V najnovšom výskume, publikovanom v časopise Nature, bola prekonaná hlavná prekážka a dôvod, prečo si mnohí mysleli, že grafénová elektronika nikdy nebude fungovať. Ide o pásmovú medzeru (band gap), známu aj ako zakázaný pás. Ide o energetickú medzeru v pevnej látke, kde neexistujú žiadne elektronické stavy. Je to zásadná elektronická vlastnosť, ktorá umožňuje zapínať a vypínať polovodiče. Grafén však nemal zakázaný pás – až doteraz. 

Vedúci výskumného tímu Walter de Heer, profesor fyziky na Georgia Tech, skúmal materiály na báze uhlíka ako potenciálne polovodiče a vedel, že grafén má potenciál pre elektroniku. Je to mimoriadne robustný materiál, ktorý dokáže zvládnuť veľmi veľké prúdy, a to bez zahrievania a rozpadu. De Heer a jeho tím prišli na to, ako pestovať grafén na doštičkách z karbidu kremíka pomocou špeciálnych pecí. Vyrobili epitaxný grafén, čo je jedna vrstva, ktorá rastie na kryštálovej ploche karbidu kremíka.

Tím zistil, že keď bol epitaxný grafén vyrobený správne, chemicky sa naviazal na karbid kremíka a začal vykazovať vlastnosti polovodičov. Vo svojej prirodzenej forme nie je grafén ani polovodič, ani kov, ale polokov. Pásmová medzera je materiál, ktorý sa dá zapnúť a vypnúť, keď sa naň aplikuje elektrické pole, čo je spôsob, akým fungujú všetky tranzistory a kremíková elektronika. Hlavnou otázkou vo výskume grafénovej elektroniky bolo, ako ju zapnúť a vypnúť, aby fungovala ako kremík.

Na výrobu funkčného tranzistora však treba značne manipulovať s polovodičovým materiálom, čo môže narušiť jeho vlastnosti. Aby tím dokázal, že ich platforma môže fungovať ako životaschopný polovodič, potreboval zmerať jeho elektronické vlastnosti bez toho, aby ho poškodil. Na grafén umiestnili atómy, ktoré „darujú“ elektróny systému, čo je technika nazývaná dopovanie a používa sa na zistenie, či je materiál dobrým vodičom. Fungovalo to bez poškodenia materiálu alebo jeho vlastností. Merania tímu ukázali, že ich grafénový polovodič má 10-krát väčšiu mobilitu ako kremík. Inými slovami, elektróny sa pohybujú s veľmi nízkym odporom, čo v elektronike znamená rýchlejšie výpočty.

Produkt tímu je v súčasnosti jediným dvojrozmerným polovodičom, ktorý má všetky potrebné vlastnosti na použitie v nanoelektronike a jeho elektrické vlastnosti sú oveľa lepšie ako akékoľvek iné súčasné 2D polovodiče. Epitaxný grafén by mohol spôsobiť zmenu paradigmy v oblasti elektroniky a umožniť úplne nové technológie, ktoré využívajú jeho jedinečné vlastnosti. Materiál umožňuje využiť kvantovo-mechanické vlnové vlastnosti elektrónov, čo je požiadavka na kvantové výpočty.

Zdroj: research.gatech.edu.