Onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute hebben een nieuwe methode ontwikkeld om water te gebruiken om de band gap van het nanomateriaal grafeen af ​​te stemmen. de deur openen naar nieuwe op grafeen gebaseerde transistors en nano-elektronica.

Door een grafeenfilm bloot te stellen aan vocht, Rensselaer-professor Nikhil Koratkar en zijn onderzoeksteam waren in staat om een ​​band gap in grafeen te creëren - een cruciale voorwaarde voor het maken van grafeentransistors. In het hart van moderne elektronica, transistors zijn apparaten die "aan" of "uit" kunnen worden geschakeld om een ​​elektrisch signaal te veranderen. Computermicroprocessors bestaan ​​uit miljoenen transistors gemaakt van het halfgeleidende materiaal silicium, waarvoor de industrie actief op zoek is naar een opvolger.

grafeen, een atoomdikke laag koolstofatomen gerangschikt als een gaashek op nanoschaal, heeft geen bandgap. Koratkar's team demonstreerde hoe je een band gap in grafeen kunt openen op basis van de hoeveelheid water die ze aan één kant van het materiaal hebben geadsorbeerd, nauwkeurig afstemmen van de bandafstand op elke waarde van 0 tot 0,2 elektronvolt. Dit effect was volledig omkeerbaar en de bandafstand werd onder vacuüm teruggebracht tot nul. De techniek omvat geen ingewikkelde engineering of modificatie van het grafeen, maar vereist een behuizing waar de vochtigheid nauwkeurig kan worden geregeld.

"Grafeen wordt gewaardeerd om zijn unieke en aantrekkelijke mechanische eigenschappen. Maar als je een transistor zou bouwen met grafeen, het zou gewoon niet werken omdat grafeen werkt als een semi-metaal en geen band gap heeft, " zei Koratkar, een professor in de afdeling Mechanische, ruimtevaart, en Nuclear Engineering bij Rensselaer. "In dit onderzoek, we hebben een relatief eenvoudige methode gedemonstreerd om grafeen een band gap te geven. Dit zou de deur kunnen openen naar het gebruik van grafeen voor een nieuwe generatie transistors, dioden, nano-elektronica, nanofotonica, en andere toepassingen."

De resultaten van het onderzoek werden gedetailleerd beschreven in het artikel "Tunable Band gap in Graphene by the Controlled Adsorbtion of Water Molecules, " deze week gepubliceerd door het tijdschrift Klein .

In zijn natuurlijke staat, grafeen heeft een eigenaardige structuur maar geen band gap. Het gedraagt ​​zich als een metaal en staat bekend als een goede geleider. Dit in vergelijking met rubber of de meeste kunststoffen, die isolatoren zijn en geen elektriciteit geleiden. Isolatoren hebben een grote bandafstand - een energiekloof tussen de valentie- en geleidingsbanden - die voorkomt dat elektronen vrij in het materiaal kunnen geleiden.

Tussen de twee zijn halfgeleiders, die zowel als geleider als isolator kan functioneren. Halfgeleiders hebben een smalle bandgap, en de toepassing van een elektrisch veld kan ervoor zorgen dat elektronen over de opening springen. De mogelijkheid om snel te schakelen tussen de twee toestanden - "aan" en "uit" - is de reden waarom halfgeleiders zo waardevol zijn in de micro-elektronica.

"De kern van elk halfgeleiderapparaat is een materiaal met een bandgap, "Zei Koratkar. "Als je kijkt naar de chips en microprocessors in de huidige mobiele telefoons, mobiele toestellen, en computers, elk bevat een groot aantal transistors gemaakt van halfgeleiders met bandhiaten. Grafeen is een materiaal zonder bandgap, wat het nut ervan beperkt. Het is dus van cruciaal belang om methoden te ontwikkelen om een ​​bandgap in grafeen te induceren om er een relevant halfgeleidend materiaal van te maken."

De symmetrie van de roosterstructuur van grafeen is geïdentificeerd als een reden voor het ontbreken van bandafstand van het materiaal. Koratkar onderzocht het idee om deze symmetrie te doorbreken door moleculen aan slechts één kant van het grafeen te binden. Om dit te doen, hij fabriceerde grafeen op een oppervlak van silicium en siliciumdioxide, en vervolgens het grafeen blootgesteld aan een omgevingskamer met gecontroleerde vochtigheid. In de kamer, watermoleculen geadsorbeerd aan de blootgestelde kant van het grafeen, maar niet aan de kant die naar het siliciumdioxide is gericht. Met de symmetrie gebroken, de band gap van grafeen deed, inderdaad, open doen, zei Koratkar. Ook bijdragend aan het effect is het vocht dat in wisselwerking staat met defecten in het siliciumdioxidesubstraat.

"Anderen hebben laten zien hoe je een bandgap in grafeen kunt creëren door verschillende gassen aan het oppervlak te adsorberen, maar dit is de eerste keer dat het met water is gedaan, " zei hij. "Het voordeel van wateradsorptie, vergeleken met gassen, is dat het goedkoop is, niet giftig, en veel gemakkelijker te besturen in een chiptoepassing. Bijvoorbeeld, met de vooruitgang in microverpakkingstechnologieën is het relatief eenvoudig om een ​​kleine behuizing rond bepaalde delen of het geheel van een computerchip te bouwen waarin het vrij eenvoudig zou zijn om de vochtigheidsgraad te regelen."

Op basis van de vochtigheidsgraad in de behuizing, chipmakers zouden de band gap van grafeen omkeerbaar kunnen afstemmen op een waarde van 0 tot 0,2 elektronvolt, zei Korarkar.