grafeen, een één-atoom dik rooster van koolstofatomen, wordt vaak aangeprezen als een revolutionair materiaal dat de plaats van silicium in het hart van de elektronica zal innemen. De ongeëvenaarde snelheid waarmee het elektronen kan verplaatsen, plus zijn in wezen tweedimensionale vormfactor, maak er een aantrekkelijk alternatief van, maar er blijven verschillende hindernissen voor de goedkeuring ervan.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania; Universiteit van Californië, Berkeley; en de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign heeft vooruitgang geboekt bij het oplossen van een dergelijke hindernis. Door een nieuwe manier te demonstreren om de hoeveelheid elektronen te veranderen die zich in een bepaald gebied in een stuk grafeen bevinden, ze hebben een proof-of-principle in het maken van de fundamentele bouwstenen van halfgeleiderapparaten met behulp van het 2D-materiaal.

Bovendien, hun methode maakt het mogelijk deze waarde af te stemmen door de toepassing van een elektrisch veld, wat betekent dat grafeencircuitelementen die op deze manier zijn gemaakt, op een dag dynamisch "opnieuw bedraad" kunnen worden zonder het apparaat fysiek te veranderen.

De studie was een samenwerking tussen de groepen van Andrew Rappe bij Penn, Lane Martin bij UC Berkeley en Moonsub Shim in Illinois.

Het werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Silicium wordt gebruikt voor het maken van circuitelementen omdat de ladingsdragerdichtheid, het aantal vrije elektronen dat het bevat, kan gemakkelijk worden verhoogd of verlaagd door chemische onzuiverheden toe te voegen. Dit "doping"-proces resulteert in "p-type" en "n-type" halfgeleiders, silicium dat meer positieve of meer negatieve ladingsdragers heeft.

De knooppunten tussen p- en n-type halfgeleiders zijn de bouwstenen van elektronische apparaten. Op volgorde in elkaar gezet, deze pn-overgangen vormen transistoren, die op hun beurt kunnen worden gecombineerd tot geïntegreerde schakelingen, microchips en processors.

Chemisch doteren van grafeen om een ​​p- en n-type versie van het materiaal te verkrijgen is mogelijk, maar het betekent dat sommige van zijn unieke elektrische eigenschappen worden opgeofferd. Een soortgelijk effect is mogelijk door lokale spanningsveranderingen op het materiaal aan te brengen, maar het vervaardigen en plaatsen van de benodigde elektroden doet de voordelen teniet die de vormfactor van grafeen biedt.

"We hebben een niet-destructief, omkeerbare manier van doping, "Rap zei, "dat brengt geen fysieke veranderingen aan het grafeen met zich mee."

De techniek van het team omvat het afzetten van een laag grafeen zodat het rust op, maar hecht niet aan, een tweede materiaal:lithiumniobaat. Lithiumniobaat is ferro-elektrisch, wat betekent dat het polair is, en de oppervlakken ervan hebben een positieve of negatieve lading. Het toepassen van een elektrische veldpuls kan het teken van de oppervlakteladingen veranderen.

"Dat is een onstabiele situatie, "Rap zei, "in die zin dat het positief geladen oppervlak negatieve ladingen wil accumuleren en vice versa. Om die onbalans op te lossen, je zou andere ionen kunnen laten binnenkomen en binden of het oxide kan elektronen verliezen of krijgen om die ladingen op te heffen, maar we hebben een derde manier bedacht.

"Hier hebben we grafeen paraat, op het oppervlak van het oxide, maar bindt er niet aan. Nutsvoorzieningen, als het oxide-oppervlak zegt:'Ik wou dat ik meer negatieve lading had, ' in plaats van dat het oxide ionen uit de omgeving verzamelt of elektronen opneemt, het grafeen zegt:'Ik kan de elektronen voor je vasthouden, en ze zullen vlakbij zijn.'"

Rappe stelde voor om lithiumniobaat te gebruiken, omdat het al veel wordt gebruikt in de optische techniek en eigenschappen heeft die zich lenen voor het maken van pn-overgangen. De onderzoekers maakten gebruik van het feit dat een bepaald type materiaal, periodiek gepoold lithiumniobaat, is zo vervaardigd dat het "strepen" van poolgebieden heeft die afwisselend positief en negatief zijn.

"Omdat de lithiumniobaatdomeinen de eigenschappen kunnen dicteren, "Shim zei, "verschillende regio's van grafeen kunnen een ander karakter aannemen, afhankelijk van de aard van het onderliggende domein. Dat maakt het mogelijk, zoals we hebben aangetoond, een eenvoudige manier om een ​​pn-overgang of zelfs een reeks pn-overgangen te maken op een enkele grafeenvlok. Een dergelijk vermogen zou vooruitgang in grafeen mogelijk moeten maken die analoog zou kunnen zijn aan wat pn-overgangen en complementaire schakelingen hebben gedaan voor de huidige state-of-the-art halfgeleiderelektronica.

"Wat nog spannender is, is het mogelijk maken van opto-elektronica met behulp van grafeen en de mogelijkheid van golfgeleiding, lensing en periodiek manipuleren van elektronen opgesloten in een atomair dun materiaal."

Hun experimenten omvatten ook het toevoegen van een enkele poort aan het apparaat, waardoor de algehele draaggolfdichtheid verder kon worden afgestemd door de toepassing van verschillende spanningen.

Door rekening te houden met hoe het oxide zijn oppervlakteladingen op zichzelf in evenwicht houdt, of door ionen uit de waterige oplossing te binden, de onderzoekers konden het verband aantonen tussen de polarisatie van het oxide en de ladingsdragerdichtheid van het grafeen dat erover hangt.

En omdat de oxidepolarisatie gemakkelijk kan worden gewijzigd, het type en de omvang van de ondersteunde grafeendoping kan ermee worden gewijzigd.

"Je zou kunnen komen met een tip die een bepaald elektrisch veld produceert, en gewoon door het in de buurt van het oxide te plaatsen, zou je de polariteit kunnen veranderen, Martin zei. "Je schrijft een 'up'-domein of een 'down'-domein in de regio die je wilt, en de ladingsdichtheid van het grafeen zou die verandering weerspiegelen. Je zou het grafeen over dat gebied p-type of n-type kunnen maken, en, als je van gedachten verandert, je kunt het wissen en opnieuw beginnen."

Dit vermogen zou een voordeel zijn ten opzichte van chemisch gedoteerde halfgeleiders. Zodra de atomaire onzuiverheden in het materiaal zijn gemengd om de dragerdichtheid te veranderen, ze kunnen niet worden verwijderd. Toekomstig onderzoek zal de haalbaarheid onderzoeken van het ontwerpen van dynamische halfgeleidende apparaten met deze techniek.

"Dat kunnen we momenteel niet doen, maar dat is de richting die we op willen, "Rap zei, "Er zijn enkele oxiden die kunnen worden gerepolariseerd op de tijdschaal van nanoseconden, dus je zou een aantal echt dynamische wijzigingen kunnen aanbrengen als dat nodig zou zijn. Dat biedt veel mogelijkheden."