Het gebruik van elektronen die meer op fotonen lijken, zou de basis kunnen vormen voor een nieuw type elektronisch apparaat dat zou profiteren van het vermogen van grafeen om elektronen te dragen met bijna geen weerstand, zelfs bij kamertemperatuur - een eigenschap die bekend staat als ballistisch transport.

Onderzoek dat deze week is gerapporteerd, toont aan dat elektrische weerstand in nanoribbons van epitaxiaal grafeen verandert in discrete stappen volgens kwantummechanische principes. Het onderzoek toont aan dat de grafeen nanoribbons meer werken als optische golfgeleiders of kwantumdots, waardoor elektronen soepel langs de randen van het materiaal kunnen stromen. In gewone geleiders zoals koper, weerstand neemt evenredig toe met de lengte naarmate elektronen steeds meer onzuiverheden tegenkomen terwijl ze door de geleider bewegen.

De ballistische transporteigenschappen, vergelijkbaar met die waargenomen in cilindrische koolstofnanobuizen, de theoretische geleidbaarheidsvoorspellingen voor grafeen met een factor 10 overtreffen. De eigenschappen werden gemeten in grafeen-nanolinten van ongeveer 40 nanometer breed die waren gegroeid aan de randen van driedimensionale structuren die in siliciumcarbidewafels waren geëtst.

"Dit werk laat zien dat we grafeenelektronen op heel verschillende manieren kunnen controleren, omdat de eigenschappen echt uitzonderlijk zijn, zei Walt de Heer, een Regent's professor aan de School of Physics van het Georgia Institute of Technology. "Dit zou kunnen resulteren in een nieuwe klasse van coherente elektronische apparaten op basis van ballistisch transport bij kamertemperatuur in grafeen. Dergelijke apparaten zouden heel anders zijn dan wat we vandaag in silicium maken."

Het onderzoek, die werd gesteund door de National Science Foundation, het Air Force Office of Scientific Research en de W.M. Stichting Keck, werd op 5 februari gerapporteerd in het journaal Natuur . Het onderzoek is gedaan door een samenwerking van wetenschappers van Georgia Tech in de Verenigde Staten, Leibniz Universität Hannover in Duitsland, het Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankrijk en het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten.

Bijna een decennium lang, onderzoekers hebben geprobeerd de unieke eigenschappen van grafeen te gebruiken om elektronische apparaten te maken die net als bestaande siliciumhalfgeleiderchips werken. Maar die inspanningen hebben beperkt succes gehad omdat grafeen - een rooster van koolstofatomen dat slechts één laag dik kan worden gemaakt - niet gemakkelijk kan worden gegeven de elektronische bandgap die dergelijke apparaten nodig hebben om te werken.

De Heer stelt dat onderzoekers moeten stoppen met het gebruik van grafeen zoals silicium, en in plaats daarvan zijn unieke elektronentransporteigenschappen gebruiken om nieuwe soorten elektronische apparaten te ontwerpen die ultrasnel computergebruik mogelijk maken - op basis van een nieuwe benadering van schakelen. Elektronen in de grafeen nanoribbons kunnen tientallen of honderden microns bewegen zonder te verstrooien.

"Deze constante weerstand is gerelateerd aan een van de fundamentele constanten van de natuurkunde, het geleidingskwantum, " zei de Heer. "De weerstand van dit kanaal is niet afhankelijk van de temperatuur, en het hangt niet af van de hoeveelheid stroom die je er doorheen laat lopen."

Wat verstoort de stroom van elektronen, echter, meet de weerstand met een elektrische sonde. Uit de metingen bleek dat het aanraken van de nanoribbons met een enkele sonde de weerstand verdubbelt; aanraken met twee sondes verdrievoudigt de weerstand.

"De elektronen raken de sonde en verstrooien, " legde de Heer uit. "Het lijkt veel op een beekje waarin het water mooi stroomt totdat je stenen in de weg legt. We hebben systematische studies gedaan om aan te tonen dat wanneer je de nanoribbons aanraakt met een sonde, je introduceert een methode om de elektronen te verstrooien, en dat verandert de weerstand."

De nanoribbons worden epitaxiaal gekweekt op silicium-koolstofwafels waarin patronen zijn geëtst met behulp van standaard micro-elektronica fabricagetechnieken. Wanneer de wafels worden verwarmd tot ongeveer 1, 000 graden Celsius, silicium wordt bij voorkeur langs de randen verdreven, het vormen van grafeen nanoribbons waarvan de structuur wordt bepaald door het patroon van het driedimensionale oppervlak. Eenmaal gegroeid, de nanoribbons hebben geen verdere bewerking nodig.

Het voordeel van het op deze manier vervaardigen van grafeen nanoribbons is dat het randen produceert die perfect glad zijn, gegloeid door het fabricageproces. Door de gladde randen kunnen elektronen ongehinderd door de nanoribbons stromen. Als traditionele etstechnieken worden gebruikt om nanolinten uit grafeenvellen te snijden, de resulterende randen zijn te ruw om ballistisch transport mogelijk te maken.

"Het lijkt erop dat de stroom voornamelijk langs de randen loopt, " zei de Heer. "Er zijn andere elektronen in het grootste deel van de nanoribbons, maar ze hebben geen interactie met de elektronen die langs de randen stromen."

De elektronen aan de rand stromen meer als fotonen in optische vezels, hen te helpen verstrooiing te voorkomen. "Deze elektronen gedragen zich echt meer als licht, " zei hij. "Het is als licht dat door een optische vezel gaat. Door de manier waarop de vezel wordt gemaakt, het licht straalt zonder verstrooiing."

Elektronenmobiliteitsmetingen van meer dan een miljoen komen overeen met een plaatweerstand van één ohm per vierkant, dat is twee ordes van grootte lager dan wat wordt waargenomen in tweedimensionaal grafeen - en tien keer kleiner dan de beste theoretische voorspellingen voor grafeen.

"Dit moet een nieuwe manier van doen aan elektronica mogelijk maken, zei de Heer. "We zijn al in staat om deze elektronen te sturen en we kunnen ze met rudimentaire middelen schakelen. We kunnen een wegversperring plaatsen, en open hem dan weer. Er komen nu nieuwe soorten schakelaars voor dit materiaal in het verschiet."

Theoretische verklaringen voor wat de onderzoekers hebben gemeten zijn onvolledig. De Heer speculeert dat de grafeen-nanoribbons een nieuw type elektronisch transport kunnen produceren, vergelijkbaar met wat wordt waargenomen in supergeleiders.

"Er is veel fundamentele natuurkunde die moet worden gedaan om te begrijpen wat we zien, " voegde hij eraan toe. "We geloven dat dit aantoont dat er een reële mogelijkheid is voor een nieuw type op grafeen gebaseerde elektronica."

Georgia Tech-onderzoekers zijn sinds 2001 pionier op het gebied van op grafeen gebaseerde elektronica. waarvoor ze een patent hebben, ingediend in 2003. De techniek omvat het etsen van patronen in siliciumcarbidewafels van elektronische kwaliteit, dan de wafels verhitten om silicium te verdrijven, patronen van grafeen achterlaten.