Sinds zijn ontdekking, grafeen - een ongebruikelijke en veelzijdige stof die bestaat uit een enkellaags kristalrooster van koolstofatomen - heeft veel opwinding veroorzaakt in de wetenschappelijke gemeenschap. Nutsvoorzieningen, Nongjian(NJ) Tao, een onderzoeker van het Biodesign Institute van de Arizona State University heeft een nieuwe manier gevonden om grafeen te maken, het maximaliseren van het enorme potentieel van het materiaal, in het bijzonder voor gebruik in elektronische apparaten met hoge snelheid.

Samen met medewerkers van het Duitse Max Planck Instituut, het Departement Materiaalwetenschappen en Engineering, Universiteit van Utah, en de Tsinghua-universiteit, Peking, Tao creëerde een grafeentransistor bestaande uit 13 benzeenringen.

het molecuul, bekend als een coroneen, toont een verbeterde elektronische band gap, een eigenschap die kan helpen om een ​​van de centrale obstakels voor het toepassen van grafeentechnologie voor elektronica te overwinnen. Het werk van de groep verschijnt in het geavanceerde online nummer van 29 juni Natuurcommunicatie .

Eventueel, grafeencomponenten kunnen hun weg vinden naar een breed scala aan producten, van lasers tot ultrasnelle computerchips; ultracondensatoren met ongekende opslagmogelijkheden; hulpmiddelen voor microbiële detectie en diagnose; fotovoltaïsche cellen; kwantumcomputertoepassingen en vele andere.

Zoals de naam al doet vermoeden, grafeen is nauw verwant aan grafiet. Elke keer dat een potlood over een pagina wordt getrokken, kleine fragmenten grafeen worden afgeworpen. Wanneer goed vergroot, de stof lijkt op een kippengaas op atomaire schaal. Vellen van het materiaal bezitten uitzonderlijke elektronische en optische eigenschappen, waardoor het zeer aantrekkelijk is voor uiteenlopende toepassingen.

"Grafeen is een geweldig materiaal, gemaakt van koolstofatomen verbonden in een honingraatstructuur, "Tao zegt, wijzend op de enorme elektrische mobiliteit van grafeen - het gemak waarmee elektronen door het materiaal kunnen stromen. Een dergelijke hoge mobiliteit is een kritische parameter bij het bepalen van de snelheid van componenten zoals transistors.

Door bruikbare hoeveelheden grafeen te produceren, kan lastig zijn. Tot nu, twee methoden hebben de voorkeur, een waarin enkellaags grafeen wordt afgepeld van een meerlagig vel grafiet, met plakband en de andere, waarin grafeenkristallen worden gekweekt op een substraat, zoals siliciumcarbide.

In ieder geval, een intrinsieke eigenschap van grafeen moet worden overwonnen om het materiaal geschikt te maken voor een transistor. Zoals Tao uitlegt, "een transistor is in feite een schakelaar - je zet hem aan of uit. Een grafeentransistor is erg snel, maar de aan / uit-verhouding is erg klein. " Dit komt door het feit dat de ruimte tussen de valentie- en geleidingsbanden van het materiaal - of band gap zoals het bekend is - is nul voor grafeen.

Om de band gap te vergroten en de aan/uit-verhouding van het materiaal te verbeteren, grotere vellen grafeen kunnen worden verkleind tot nanoschaalgroottes. Dit heeft tot gevolg dat de kloof tussen valentie- en conductantiebanden wordt geopend en de aan / uit-verhouding wordt verbeterd, hoewel een dergelijke verlaging van de omvang kosten met zich meebrengt. Het proces is arbeidsintensief en heeft de neiging om onregelmatigheden in vorm en onzuiverheden in de chemische samenstelling te introduceren, die de elektrische eigenschappen van het grafeen enigszins aantasten. "Dit is misschien niet echt een haalbare oplossing voor massaproductie, ' merkt Tao op.

In plaats van een top-down benadering waarbij vellen grafeen worden verkleind tot een geschikte grootte om als transistors te fungeren, Tao's benadering is bottom-up:het opbouwen van het grafeen, moleculair stuk voor stuk. Om dit te doen, Tao vertrouwt op de chemische synthese van benzeenringen, zeshoekige structuren, elk gevormd uit 6 koolstofatomen. "Benzeen is meestal een isolatiemateriaal, "zegt Tao. Maar naarmate meer van dergelijke ringen worden samengevoegd, het gedrag van het materiaal wordt meer als een halfgeleider.

Met behulp van dit proces, de groep was in staat een coroneenmolecuul te synthetiseren, bestaande uit 13 benzeenringen die in een goed gedefinieerde vorm zijn gerangschikt. Het molecuul werd vervolgens aan weerszijden voorzien van linkergroepen - chemische bindmiddelen waarmee het molecuul aan elektroden kan worden bevestigd, een circuit op nanoschaal vormen. Een elektrische potentiaal werd vervolgens door het molecuul geleid en het gedrag, opgemerkt. De nieuwe structuur vertoonde transistoreigenschappen, met omkeerbare aan- en uitschakelaars.

Tao wijst erop dat het proces van chemische synthese de fijnafstemming van structuren mogelijk maakt in termen van ideale grootte, vorm en geometrische structuur, waardoor het voordelig is voor commerciële massaproductie. Grafeen kan ook vrij van defecten en onzuiverheden worden gemaakt, waardoor elektrische verstrooiing wordt verminderd en materiaal maximale mobiliteit en dragersnelheid krijgt, ideaal voor high-speed elektronica.

In conventionele apparaten, weerstand is evenredig met de temperatuur, maar in de grafeentransistors door Tao et al., elektronenmobiliteit is te wijten aan kwantumtunneling, en blijft temperatuuronafhankelijk - een kenmerk van een coherent proces.

De groep gelooft dat ze de grafeenstructuren door chemische synthese kunnen vergroten tot misschien wel honderden ringen, met behoud van voldoende bandgap om schakelgedrag mogelijk te maken. Het onderzoek opent vele mogelijkheden voor de toekomstige commercialisering van dit ongewone materiaal, en het gebruik ervan in een nieuwe generatie ultrasnelle elektronica.