Grafenowy półprzewodnik – rewolucja w tworzeniu urządzeń elektronicznych
Naukowcy stworzyli pierwszy funkcjonalny grafenowy półprzewodnik. Badacze twierdzą, że technologia ta może doprowadzić do opracowania nowego typu urządzeń elektronicznych.
Grafen to jedna z postaci węgla tuż obok diamentu, fulerenów czy nanorurek Niezwykle płaski arkusz grafenu tworzą pojedyncze atomy węgla połączone najsilniejszymi znanymi ludzkości wiązaniami. To materiał elastyczny, niezwykle wytrzymały, a przy tym przewodzący prąd elektryczny.
Grafen od dawna był obiecującym materiałem, który mógłby przewyższać krzem pod względem mobilności elektronów, ale wysiłki zmierzające do wytworzenia z niego wysokiej jakości półprzewodników okazały się nieskuteczne, co doprowadziło do skierowania wysiłków badawczych w stronę innych dwuwymiarowych (tj. o grubości jednego atomu) materiałów.
Problem polegał na tym, że grafen jest półprzewodnikiem bezprzerwowym, pozbawionym tak zwanej „przerwy energetycznej”, czyli szczeliny między pasmami o niskiej i wysokiej energii, przez którą elektrony są zmuszone przechodzić w użytecznych półprzewodnikach znajdujących się w chipach komputerowych. Jednym z powodów, dla których komponenty z węglika krzemu (SiC) są tak popularne, jest na przykład ich szerokie pasmo wzbronione.
Półprzewodniki, podstawowe elementy urządzeń elektronicznych, są materiałami przewodzącymi prąd elektryczny w określonych warunkach. Jednak wraz ze wzrostem zapotrzebowania na coraz szybsze komputery i coraz mniejsze urządzenia elektroniczne, krzem czyli materiał, z którego wykonana jest praktycznie cała dzisiejsza elektronika – osiąga granice swoich możliwości.
Naukowcy z Georgia Institute of Technology oraz uniwersytetu w Tianjin (Chiny) pod kierownictwem prof. Waltera de Heera z Georgia Tech stworzyli pierwszy na świecie funkcjonalny grafenowy półprzewodnik. Dotychczas na przeszkodzie stał brak tak zwanej przerwy energetycznej. To dzięki przerwie energetycznej półprzewodnik może w określonych warunkach zmienić swoje właściwości elektryczne.
Warstwę grafenu uzyskano na wcześniej przygotowanej płytce z węglika krzemu (grafen epitaksjalny). Grafen związał się z takim podłożem chemicznie i zaczął wykazywać cechy półprzewodnika. Naukowcy w ten sposób wytworzyli wysokiej jakości półprzewodnikowy epigrafen (SEG) na podłożu SiC.
Epigrafen to grafen, który spontanicznie tworzy się na kryształach węglika krzemu, gdy krzem jest sublimowany z powierzchni w wysokich temperaturach, co skutkuje bogatą w węgiel powierzchnią, która rekrystalizuje się w grafen.
Według profesora de Heera i jego współpracowników, wszystko polegała na utworzeniu epigrafu w bardziej kontrolowanym środowisku poprzez umieszczenie dwóch chipów SiC w taki sposób, aby powierzchnia krzemowa górnego chipa znajdowała się naprzeciwko powierzchni węglowej dolnego chipa.
Po podgrzaniu atomy węgla są transportowane z powierzchni węgla na powierzchnię krzemu, tworząc warstwę buforową chemicznie związaną z SiC, co oznacza, że powinno być możliwe wytwarzanie monokrystalicznego SEG.
„Zasadniczo znaleźliśmy półprzewodnik dwuwymiarowy o wysokiej mobilności, który może być stosowany jako materiał elektroniczny 2D, który jest poszukiwany ze względu na oczekiwaną lepszą wydajność” – mówi De Heer.
Badacze potwierdzili, że elektrony w grafenie są 10 razy bardziej ruchliwe od elektronów w krzemie, co pozwoli szybciej prowadzać obliczenia komputerowe. Jednocześnie układ ten mniej się nagrzewa.
Wysoka mobilność oznacza również, że elektrony mogą poruszać się z mniejszym oporem przez materiał, co sugeruje, że może prowadzić do tranzystorów o wyższej wydajności, które mogą zastąpić krzem i potencjalnie przyspieszyć również procesory.
Zdaniem autorów dokonany przez nich przełom pozwoli tworzyć szybszą i bardziej energooszczędną elektronikę w nowy sposób, a grafenowy półprzewodnik znajdzie zastosowanie na przykład w komputerach kwantowych.
Paweł Wernicki/PAP/EG
