Wetenschap
Artistieke impressie van grafeen moleculen. Krediet:Universiteit van Manchester
In een artikel dat deze week is gepubliceerd in Wetenschap , een Manchester-team onder leiding van Nobelprijswinnaars Professor Andre Geim en Professor Konstantin Novoselov heeft letterlijk een derde dimensie in grafeenonderzoek geopend. Hun onderzoek toont een transistor aan die de ontbrekende schakel kan zijn voor grafeen om het volgende silicium te worden.
Grafeen – een atomair vlak van koolstof – is een opmerkelijk materiaal met oneindig veel unieke eigenschappen, van elektronisch tot chemisch en van optisch tot mechanisch.
Een van de vele mogelijke toepassingen van grafeen is het gebruik als basismateriaal voor computerchips in plaats van silicium. Dit potentieel heeft de aandacht getrokken van grote chipfabrikanten, inclusief IBM, Samsung, Texas Instruments en Intel. Individuele transistors met zeer hoge frequenties (tot 300 GHz) zijn al door verschillende groepen wereldwijd gedemonstreerd.
Helaas, die transistoren kunnen niet dicht opeengepakt worden in een computerchip omdat ze te veel stroom lekken, zelfs in de meest isolerende staat van grafeen. Door deze elektrische stroom zouden chips binnen een fractie van een seconde smelten.
Dit probleem bestaat al sinds 2004, toen de Manchester-onderzoekers hun Nobel-winnende grafeenbevindingen rapporteerden en, ondanks een enorme wereldwijde inspanning om het sindsdien op te lossen, tot nu toe is er geen echte oplossing geboden.
De wetenschappers van de Universiteit van Manchester stellen nu voor om grafeen niet lateraal (in het vlak) te gebruiken - zoals alle eerdere onderzoeken deden - maar in verticale richting. Ze gebruikten grafeen als een elektrode van waaruit elektronen door een diëlektricum in een ander metaal tunnelden. Dit wordt een tunneldiode genoemd.
Vervolgens maakten ze gebruik van een werkelijk unieke eigenschap van grafeen:dat een externe spanning de energie van tunneling-elektronen sterk kan veranderen. Als resultaat kregen ze een nieuw type apparaat:een verticale veldeffect-tunneltransistor waarin grafeen een cruciaal ingrediënt is.
Dr. Leonid Ponomarenko, die de leiding had over de experimentele inspanning, zei:"We hebben een conceptueel nieuwe benadering van grafeenelektronica bewezen. Onze transistors werken al behoorlijk goed. Ik geloof dat ze nog veel verder kunnen worden verbeterd, verkleind tot nanometerafmetingen en werken op sub-THz-frequenties."
"Het is een nieuw uitzicht voor grafeenonderzoek en de kansen voor op grafeen gebaseerde elektronica zagen er nog nooit zo goed uit als nu", voegt professor Novoselov toe.
Grafeen alleen zou niet genoeg zijn om de doorbraak te maken. Gelukkig, er zijn veel andere materialen, die slechts één atoom of één molecuul dik zijn, en ze werden gebruikt voor hulp.
Het Manchester-team maakte de transistors door grafeen te combineren met atomaire vlakken van boornitride en molybdeendisulfide. De transistors werden laag voor laag in een gewenste volgorde geassembleerd, als een laagcake, maar op atomaire schaal.
Dergelijke gelaagde superstructuren komen in de natuur niet voor. Het is een geheel nieuw concept dat in het rapport van de Manchester-onderzoekers wordt geïntroduceerd. De assemblage op atomaire schaal biedt veel nieuwe graden van functionaliteit, zonder enkele daarvan zou de tunneltransistor onmogelijk zijn.
"De gedemonstreerde transistor is belangrijk, maar het concept van atomaire laagassemblage is waarschijnlijk nog belangrijker, " legt professor Geim uit. Professor Novoselov voegde toe:"Tunnelling-transistor is slechts één voorbeeld van de onuitputtelijke verzameling gelaagde structuren en nieuwe apparaten die nu door een dergelijke assemblage kunnen worden gecreëerd.
"Het biedt echt eindeloze mogelijkheden, zowel voor fundamentele fysica als voor toepassingen. Andere mogelijke voorbeelden zijn lichtemissiediodes, fotovoltaïsche apparaten, enzovoort."
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com