Wetenschap
Dit is het scanning-elektronenmicroscopiebeeld van het grafeenapparaat dat in het onderzoek werd gebruikt. De schaalbalk is één micrometer. Het UCR-logo ernaast is uitgevoerd met geëtst grafeen. Krediet:Universiteit van Californië, rivieroever
Een team van onderzoekers van de Universiteit van Californië, Riverside's Bourns College of Engineering heeft een probleem opgelost dat voorheen een serieuze hindernis vormde voor het gebruik van grafeen in elektronische apparaten.
Scanning-elektronenmicroscopiebeeld van grafeenapparaat dat in het onderzoek werd gebruikt. De schaalbalk is één micrometer. Het UCR-logo ernaast is uitgevoerd met geëtst grafeen.
Grafeen is een koolstofkristal van één atoom dik met unieke eigenschappen die gunstig zijn voor de elektronica, waaronder een extreem hoge elektronenmobiliteit en thermische geleidbaarheid van fononen. Echter, grafeen heeft geen energiebandafstand, dat is een specifieke eigenschap van halfgeleidermaterialen die elektronen van gaten scheiden en waarmee een transistor die met een bepaald materiaal is geïmplementeerd, volledig kan worden uitgeschakeld.
Een transistor geïmplementeerd met grafeen zal erg snel zijn, maar zal last hebben van lekstromen en vermogensdissipatie in de uit-stand vanwege de afwezigheid van de energiebandafstand. Pogingen om een bandgap in grafeen te induceren via kwantumopsluiting of oppervlaktefunctionalisering hebben niet geleid tot een doorbraak. Dat zorgde ervoor dat wetenschappers zich afvroegen of grafeentoepassingen in elektronische schakelingen voor informatieverwerking haalbaar waren.
Het UC Riverside-team – Alexander Balandin en Roger Lake, beide hoogleraren elektrotechniek, Alexander Khitoen, adjunct-hoogleraar elektrotechniek, en Guanxiong Liu en Sonia Ahsan, die beiden hun doctoraat behaalden aan UC Riverside terwijl ze aan dit onderzoek werkten - heeft die twijfel weggenomen.
"De meeste onderzoekers hebben geprobeerd grafeen te veranderen om het meer te laten lijken op conventionele halfgeleiders voor toepassingen in logische circuits, Balandin zei. „Dit resulteert gewoonlijk in degradatie van grafeeneigenschappen. Bijvoorbeeld, pogingen om een energiebandkloof te induceren, resulteren gewoonlijk in een afnemende elektronenmobiliteit, terwijl ze nog steeds niet leiden tot een voldoende grote bandkloof."
"We besloten een alternatieve aanpak te kiezen, " zei Balandin. "In plaats van te proberen grafeen te veranderen, we hebben de manier veranderd waarop de informatie in de circuits wordt verwerkt."
Het UCR-team toonde aan dat de negatieve differentiële weerstand die experimenteel werd waargenomen in grafeen-veldeffecttransistors de constructie van levensvatbare niet-Booleaanse computationele architecturen mogelijk maakt met het gap-less grafeen. De negatieve differentiële weerstand - waargenomen onder bepaalde bias-schema's - is een intrinsieke eigenschap van grafeen als gevolg van zijn symmetrische bandstructuur. De geavanceerde versie van de paper met UCR-bevindingen is te vinden op http://arxiv.org/abs/1308.2931.
Moderne digitale logica, die wordt gebruikt in computers en mobiele telefoons, is gebaseerd op Booleaanse algebra geïmplementeerd in halfgeleider-switch-gebaseerde circuits. Het gebruikt nullen en enen voor het coderen en verwerken van de informatie. Echter, de Booleaanse logica is niet de enige manier om informatie te verwerken. Het UC Riverside-team stelde voor om specifieke stroom-spanningskarakteristieken van grafeen te gebruiken voor het construeren van de niet-Booleaanse logische architectuur, die gebruik maakt van de principes van de niet-lineaire netwerken.
De grafeentransistors voor deze studie zijn gebouwd en getest door Liu in Balandin's Nano-Device Laboratory aan UC Riverside. De fysieke processen die tot ongebruikelijke elektrische kenmerken leiden, werden gesimuleerd met behulp van atomistische modellen van Ahsan, die onder Lake werkte. Khitun leverde expertise op het gebied van niet-Booleaanse logische architecturen.
De atomistische modellering uitgevoerd in de groep van Lake laat zien dat de negatieve differentiële weerstand niet alleen voorkomt in grafeenapparaten met microscopische afmetingen, maar ook op nanometerschaal, waardoor de fabricage van extreem kleine en laagvermogencircuits mogelijk zou zijn.
De voorgestelde benadering voor grafeencircuits presenteert een conceptuele verandering in grafeenonderzoek en geeft een alternatieve route aan voor de toepassingen van grafeen in informatieverwerking volgens het UC Riverside-team.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com