(PhysOrg.com) -- Een gezamenlijk onderzoeksproject heeft de wereld een stap dichter bij de productie van een nieuw materiaal gebracht waarop toekomstige nanotechnologie zou kunnen worden gebaseerd. Onderzoekers in heel Europa, inclusief het Britse National Physical Laboratory (NPL), hebben aangetoond hoe een ongelooflijk materiaal, grafeen, zou de sleutel kunnen zijn tot de toekomst van hogesnelheidselektronica, zoals microchips en touchscreentechnologie.

Grafeen heeft lang potentieel getoond, maar is voorheen alleen op zeer kleine schaal geproduceerd, beperken hoe goed het kan worden gemeten, begrepen en ontwikkeld. Een artikel gepubliceerd op 17 januari, in Natuur Nanotechnologie legt uit hoe onderzoekers hebben, Voor de eerste keer, produceerde grafeen tot een grootte en kwaliteit waar het praktisch kan worden ontwikkeld, en met succes de elektrische eigenschappen ervan gemeten. Deze belangrijke doorbraken overwinnen twee van de grootste barrières voor het opschalen van de technologie.

Een technologie voor de toekomst

Grafeen is een relatief nieuwe vorm van koolstof die bestaat uit een enkele laag atomen die zijn gerangschikt in een honingraatvormig rooster. Ondanks dat het één atoom dik en chemisch eenvoudig is, grafeen is extreem sterk en zeer geleidend, waardoor het ideaal is voor high-speed elektronica, fotonica en daarbuiten.

Grafeen is een sterke kandidaat om halfgeleiderchips te vervangen. De wet van Moore merkt op dat de dichtheid van transistors op een geïntegreerde schakeling elke twee jaar verdubbelt, maar men denkt dat silicium en andere bestaande transistormaterialen dicht bij de minimale grootte zijn waar ze effectief kunnen blijven. Grafeentransistors kunnen mogelijk met hogere snelheden werken en hogere temperaturen aan. Grafeen zou de oplossing kunnen zijn om ervoor te zorgen dat computertechnologie blijft groeien in kracht terwijl ze kleiner wordt, verlenging van de levensduur van de wet van Moore met vele jaren.

Grote microchipfabrikanten zoals IBM en Intel hebben openlijk belangstelling getoond voor het potentieel van grafeen als materiaal waarop toekomstige computers kunnen worden gebaseerd.

Grafeen heeft ook potentieel voor opwindende nieuwe innovaties zoals touchscreen-technologie, LCD-schermen en zonnecellen. Zijn ongeëvenaarde sterkte en transparantie maken het perfect voor deze toepassingen, en de geleidbaarheid ervan zou een dramatische verhoging van de efficiëntie op bestaande materialen bieden.

Uitgroeien tot een bruikbaar formaat met behoud van kwaliteit

Tot nu toe werd grafeen van voldoende kwaliteit alleen geproduceerd in de vorm van kleine vlokken van minuscule fracties van een millimeter, met behulp van nauwgezette methoden zoals het afpellen van lagen van grafietkristallen met plakband. Het produceren van bruikbare elektronica vereist veel grotere oppervlakten van het te kweken materiaal. Dit project zag onderzoekers, Voor de eerste keer, produceren en succesvol bedienen van een groot aantal elektronische apparaten uit een aanzienlijk gebied van grafeenlagen (ongeveer 50 mm ² ).

Het grafeenmonster, werd epitaxiaal geproduceerd - een proces waarbij de ene kristallaag op de andere groeit - op siliciumcarbide. Het hebben van zo'n significante steekproef bewijst niet alleen dat het in een praktische, schaalbare manier, maar stelde de wetenschappers ook in staat om belangrijke eigenschappen beter te begrijpen.

Weerstand meten

De tweede belangrijke doorbraak van het project was het meten van de elektrische eigenschappen van grafeen met ongekende precisie, de weg vrijmaakt voor het vaststellen van gemakkelijke en nauwkeurige normen. Om ervoor te zorgen dat producten zoals transistors in computers effectief werken en commercieel levensvatbaar zijn, fabrikanten moeten dergelijke metingen met ongelooflijke nauwkeurigheid kunnen doen tegen een overeengekomen internationale norm.

De internationale standaard voor elektrische weerstand wordt geleverd door het Quantum Hall-effect, een fenomeen waarbij elektrische eigenschappen in 2D-materialen alleen kunnen worden bepaald op basis van fundamentele natuurconstanten.

Het effect heeft, tot nu, slechts met voldoende precisie aangetoond in een klein aantal conventionele halfgeleiders. Verder, dergelijke metingen hebben temperaturen nodig die dicht bij het absolute nulpunt liggen, gecombineerd met zeer sterke magnetische velden, en slechts een paar gespecialiseerde laboratoria ter wereld kunnen deze voorwaarden bereiken.

Grafeen werd lang getipt om een ​​nog betere standaard te bieden, maar monsters waren ontoereikend om dit te bewijzen. Door monsters van voldoende omvang en kwaliteit te produceren, en nauwkeurig Hall-weerstand aantonen, het team bewees dat grafeen het potentieel heeft om conventionele halfgeleiders op grote schaal te vervangen.

Bovendien vertoont grafeen het Quantum Hall-effect bij veel hogere temperaturen. Dit betekent dat de grafeenweerstandsstandaard veel breder kan worden gebruikt, omdat meer laboratoria de voorwaarden kunnen bereiken die nodig zijn voor het gebruik ervan. Naast de voordelen van werksnelheid en duurzaamheid, dit zou ook de productie versnellen en de kosten verlagen van toekomstige elektronicatechnologie op basis van grafeen

Prof Alexander Tzalenchuk van NPL's Quantum Detection Group en de hoofdauteur van de Nature Nanotechnology-paper merkt op:"Het is echt sensationeel dat een groot gebied van epitaxiaal grafeen niet alleen structurele continuïteit vertoonde, maar ook de mate van perfectie die vereist is voor nauwkeurige elektrische metingen die vergelijkbaar zijn met conventionele halfgeleiders met een veel langere ontwikkelingsgeschiedenis."

Waar nu?

Het onderzoeksteam laat het daar niet bij. Ze hopen door te gaan met het demonstreren van nog nauwkeurigere metingen, evenals nauwkeurige meting bij nog hogere temperaturen. Ze zijn momenteel op zoek naar EU-financiering om dit vooruit te helpen.

Dr. JT Janssen, een NPL Fellow die aan het project heeft gewerkt, zei:"We hebben de basis gelegd voor de toekomst van de productie van grafeen, en zullen er in ons lopende onderzoek naar streven om meer inzicht te krijgen in dit opwindende materiaal. De uitdaging voor de industrie in de komende jaren zal zijn om het materiaal op een praktische manier op te schalen om aan nieuwe technologische eisen te voldoen. We hebben een grote stap voorwaarts gezet, en zodra de productieprocessen op hun plaats zijn, we hopen dat grafeen de wereld een sneller en goedkoper alternatief zal bieden voor conventionele halfgeleiders".

Het Quantum Hall-effect

Dit komt voor wanneer een elektrische stroom door een tweedimensionaal materiaal in een loodrecht magnetisch veld vloeit en de spanning in het materiaal loodrecht op zowel de stroom als het veld wordt gemeten. Binnen bepaalde periodieke veldintervallen, de verhouding van deze transversale spanning tot de stroom, bekend als de Hall-weerstand, wordt alleen bepaald door een bekende combinatie van fundamentele natuurconstanten - de constante van Planck h en de elektronenlading e.

Door deze universaliteit het Quantum Hall-effect vormt de basis voor de weerstandsstandaard die in principe onafhankelijk is van een bepaald monster, materiaal of meetopstelling.

Het Quantum Hall-effect heeft, tot nu, alleen nauwkeurig met voldoende precisie aangetoond in een klein aantal conventionele halfgeleiders, zoals Si en groep III-V heterostructuren. Door zijn unieke elektronische structuur, grafeen was lang getipt om een ​​nog betere standaard te bieden, maar de kleine omvang van grafeenvlokken en onvoldoende kwaliteit van vroege grafeenfilms maakten het niet mogelijk om nauwkeurige metingen uit te voeren.