(Phys.org) — Hetzelfde materiaal dat meer dan 60 jaar geleden de eerste primitieve transistors vormde, kan op een nieuwe manier worden aangepast om toekomstige elektronica vooruit te helpen. volgens een nieuwe studie.

Chemici van de Ohio State University hebben de technologie ontwikkeld om een ​​één atoom dik vel germanium te maken, en ontdekte dat het elektronen meer dan tien keer sneller geleidt dan silicium en vijf keer sneller dan conventioneel germanium.

De structuur van het materiaal is nauw verwant aan die van grafeen - een veelgeprezen tweedimensionaal materiaal dat bestaat uit enkele lagen koolstofatomen. Als zodanig, grafeen vertoont unieke eigenschappen in vergelijking met zijn meer gebruikelijke meerlagige tegenhanger, grafiet. Grafeen moet nog commercieel worden gebruikt, maar experts hebben gesuggereerd dat het ooit snellere computerchips zou kunnen vormen, en misschien zelfs functioneren als een supergeleider, zoveel laboratoria werken eraan om het te ontwikkelen.

Jozua Goldberger, assistent-professor scheikunde aan de staat Ohio, besloten een andere richting in te slaan en zich te concentreren op meer traditionele materialen.

"De meeste mensen zien grafeen als het elektronische materiaal van de toekomst, " zei Goldberger. "Maar silicium en germanium zijn nog steeds de materialen van het heden. Zestig jaar aan denkkracht is gestoken in het ontwikkelen van technieken om er chips van te maken. Dus we hebben gezocht naar unieke vormen van silicium en germanium met voordelige eigenschappen, om de voordelen van een nieuw materiaal te krijgen, maar met minder kosten en met behulp van bestaande technologie."

In een paper online gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , beschrijft hij en zijn collega's hoe ze een stabiele, enkele laag germaniumatomen. In deze vorm, het kristallijne materiaal wordt germanaan genoemd.

Onderzoekers hebben al eerder geprobeerd germanaan te maken. Dit is de eerste keer dat iemand erin is geslaagd om voldoende hoeveelheden ervan te kweken om de eigenschappen van het materiaal in detail te meten, en aantonen dat het stabiel is bij blootstelling aan lucht en water.

In de natuur, germanium heeft de neiging om meerlagige kristallen te vormen waarin elke atomaire laag aan elkaar is gebonden; de laag met één atoom is normaal onstabiel. Om dit probleem te omzeilen, Het team van Goldberger creëerde meerlagige germaniumkristallen met calciumatomen ingeklemd tussen de lagen. Daarna losten ze het calcium op met water, en stopte de lege chemische bindingen die achterbleven met waterstof. Het resultaat:ze konden afzonderlijke lagen germanaan afpellen.

Bezaaid met waterstofatomen, germanaan is zelfs chemisch stabieler dan traditioneel silicium. Het oxideert niet in lucht en water, zoals silicium doet. Dat maakt het gemakkelijk om met germanaan te werken met behulp van conventionele chipproductietechnieken.

Het belangrijkste dat germanaan wenselijk maakt voor opto-elektronica, is dat het een "directe bandgap" heeft, zoals wetenschappers het noemen. " wat betekent dat licht gemakkelijk wordt geabsorbeerd of uitgezonden. Materialen zoals conventioneel silicium en germanium hebben indirecte bandafstanden, wat betekent dat het voor het materiaal veel moeilijker is om licht te absorberen of uit te stralen.

"Als je een materiaal probeert te gebruiken met een indirecte band gap op een zonnecel, je moet het behoorlijk dik maken als je genoeg energie wilt om er doorheen te gaan om nuttig te zijn. Een materiaal met een directe band gap kan hetzelfde werk doen met een stuk materiaal dat 100 keer dunner is, ', aldus Goldberger.

De allereerste transistors werden eind jaren veertig gemaakt van germanium, en ze waren ongeveer zo groot als een miniatuur. Hoewel transistors sindsdien microscopisch zijn gegroeid - met miljoenen verpakt in elke computerchip - heeft germanium nog steeds het potentieel om elektronica vooruit te helpen, bleek uit de studie.

Volgens de berekeningen van de onderzoekers elektronen kunnen tien keer sneller door germanaan bewegen door silicium, en vijf keer sneller dan via conventioneel germanium. De snelheidsmeting wordt elektronenmobiliteit genoemd.

Met zijn hoge mobiliteit, germanaan zou dus de verhoogde belasting in toekomstige krachtige computerchips kunnen dragen.

“Mobiliteit is belangrijk, omdat snellere computerchips alleen gemaakt kunnen worden met snellere mobiliteitsmaterialen, "Zei Golberger. "Als je transistors verkleint tot kleine schalen, je moet materialen met een hogere mobiliteit gebruiken, anders werken de transistors gewoon niet, ’ legde Goldberger uit.

Volgende, het team gaat onderzoeken hoe de eigenschappen van germanaan kunnen worden afgestemd door de configuratie van de atomen in de enkele laag te veranderen.