Grafen jest wielką nadzieją naukowców z całego świata. Materiał może odmienić wiele dziedzin, w tym elektronikę
Urszula Lesman
Grafen to płaska struktura złożona z atomów węgla, połączonych w sześciokąty. Materiał kształtem przypomina plaster miodu, a ponieważ ma jednoatomową grubość, w przybliżeniu jest strukturą dwuwymiarową.
Półprzewodniki, podstawowe materiały umożliwiające przepływ prądu elektrycznego w określonych warunkach, mają kluczowe znaczenie dla działania urządzeń elektronicznych. Przełom dokonany przez zespół naukowców otwiera drzwi do nowego sposobu tworzenia elektroniki. Ich odkrycie następuje w czasie, gdy krzem – materiał, z którego wykonana jest niemal cała współczesna elektronika – osiąga swoje granice w obliczu coraz szybszych komputerów i zmniejszających się urządzeń elektronicznych.
Koniec krzemu, czas na grafen
Walter de Heer, profesor fizyki w Georgia Tech, kierował zespołem naukowców z Atlanty i Tianjin w Chinach, aby wyprodukować półprzewodnik grafenowy kompatybilny z konwencjonalnymi metodami przetwarzania mikroelektroniki – co jest koniecznością dla każdej realnej alternatywy dla krzemu. W badaniach opublikowanych w czasopiśmie „Nature” de Heer i jego zespół pokonali najważniejszą przeszkodę, która od dziesięcioleci jest problematyczna w badaniach nad grafenem i jest powodem, dla którego wielu uważało, że elektronika grafenowa nigdy nie będzie działać. Znana jako „przerwa wzbroniona” jest kluczową właściwością elektroniczną, która umożliwia włączanie i wyłączanie półprzewodników. Grafen nie miał przerwy zabronionej – aż do teraz.
– Mamy teraz niezwykle wytrzymały półprzewodnik grafenowy o ruchliwości 10 razy większej niż krzem, a także posiadający unikalne właściwości niedostępne w przypadku krzemu – powiedział de Heer, cytowany przez scitechdialy..
De Heer dokonał przełomu, gdy wraz ze swoim zespołem odkrył, jak hodować grafen na płytkach z węglika krzemu przy użyciu specjalnych pieców. Wyprodukowali grafen epitaksjalny, który jest pojedynczą warstwą rosnącą na powierzchni kryształu węglika krzemu. Zespół odkrył, że po prawidłowym wykonaniu grafen epitaksjalny związał się chemicznie z węglikiem krzemu i zaczął wykazywać właściwości półprzewodnikowe.
Szybsze obliczenia, większa wydajność
W swojej naturalnej postaci grafen nie jest półprzewodnikiem ani metalem, ale półmetalem. Pasmo wzbronione to materiał, który można włączać i wyłączać po przyłożeniu do niego pola elektrycznego. Tak działają wszystkie tranzystory i krzemowa elektronika. Głównym pytaniem w badaniach nad elektroniką grafenu było to, jak go włączać i wyłączać, aby mógł działać jak krzem.
Pomiary zespołu wykazały, że półprzewodnik grafenowy ma 10 razy większą ruchliwość niż krzem. Innymi słowy, elektrony poruszają się z bardzo niskim oporem, co w elektronice oznacza szybsze obliczenia. Grafen jest też bardziej wydajny, nie nagrzewa się tak bardzo i pozwala na osiągnięcie wyższych prędkości, dzięki czemu elektrony mogą poruszać się szybciej.
Grafen epitaksjalny może spowodować zmianę paradygmatu w elektronice i pozwolić na zupełnie nowe technologie wykorzystujące jego unikalne właściwości.