Onderzoekers boeken vooruitgang bij het maken van digitale transistors met behulp van een materiaal dat grafeen wordt genoemd, mogelijk een obstakel omzeilen dat het gebruik van het materiaal in computers en consumentenelektronica drastisch zou beperken.

Grafeen is een één atoom dikke laag koolstof die elektriciteit geleidt met weinig weerstand of warmteontwikkeling. Na de ontdekking in 2004 - die een Nobelprijs voor natuurkunde opleverde - werd het aangeprezen als een potentiële vervanging voor silicium, mogelijk leidend tot ultrasnelle apparaten met vereenvoudigde circuits die mogelijk minder duur zijn om te produceren.

Echter, De glans van grafeen is de afgelopen jaren afgestompt voor digitale toepassingen, omdat onderzoekers hebben ontdekt dat het geen "band gap, " een eigenschap die nodig is om aan en uit te schakelen, wat essentieel is voor digitale transistors.

"Het feit dat grafeen van nature een materiaal met een nul-bandgap is, heeft veel vragen doen rijzen over het nut ervan voor digitale toepassingen, ", zegt Purdue-promovendus Hong-Yan Chen.

Elektronen in halfgeleiders zoals silicium bestaan ​​op twee energieniveaus, bekend als de valentie- en geleidingsbanden. De energiekloof tussen deze twee niveaus wordt de bandkloof genoemd. Met de juiste band gap kunnen transistoren aan en uit worden gezet, waarmee digitale circuits informatie kunnen opslaan in binaire code die bestaat uit reeksen van enen en nullen.

Chen heeft een team van onderzoekers geleid bij het maken van een nieuw type grafeen-inverter, een kritische bouwsteen van digitale transistors. Andere onderzoekers hebben grafeenomvormers gemaakt, maar ze moesten worden geopereerd bij 77 graden Kelvin, dat is min 196 Celsius (min 320 Fahrenheit).

"Als grafeen zou kunnen worden gebruikt in digitale toepassingen, dat zou heel belangrijk zijn, " zei Chen, die samenwerkt met Joerg Appenzeller, een professor in elektrische en computertechniek en wetenschappelijk directeur van nano-elektronica bij Purdue's Birck Nanotechnology Center.

De Purdue-onderzoekers zijn de eersten die grafeenomvormers maken die bij kamertemperatuur werken en een winst hebben die groter is dan één, een basisvereiste voor digitale elektronica waarmee transistors signalen kunnen versterken en het schakelen van 0 naar 1 kunnen regelen.

De bevindingen werden gedetailleerd in een document, "Complementaire grafeenomvormers die werken bij kamertemperatuur, " gepresenteerd in juni tijdens de Device Research Conference 2011 in Santa Barbara, Californië

Tot nu toe waren grafeentransistors alleen praktisch voor gespecialiseerde toepassingen, zoals versterkers voor mobiele telefoons en militaire systemen. Echter, de nieuwe omvormers zijn een stap in de richting van het leren gebruiken van het materiaal om grafeentransistors te maken voor bredere digitale toepassingen, waaronder computers en consumentenelektronica.

Om elektronische apparaten te maken, silicium is geïmpregneerd met onzuiverheden om de halfgeleidende eigenschappen te veranderen. Dergelijke "doping" is niet gemakkelijk toepasbaar op grafeen. Echter, hebben de onderzoekers dit probleem mogelijk opgelost door "elektrostatische doping, " waardoor grafeen-omvormers de eigenschappen van siliciumomvormers kunnen nabootsen.

Elektrostatische doping wordt geïnduceerd door het elektrische veld tussen metalen poorten, die zich op 40 nanometer afstand van grafeenkanalen bevinden. De doping kan worden gewijzigd door de spanning te variëren, waardoor onderzoekers specifieke dopingniveaus kunnen testen.

"Hierdoor kunnen we de goede plek vinden om het apparaat te bedienen, ' zei Chen.

Er zal verder werk nodig zijn om het prototype te integreren in een werkend grafeencircuit voor digitale toepassingen.