Grafeen wordt wel een wondermateriaal genoemd, in staat om geweldige en ongebruikelijke materiële acrobatiek uit te voeren. Boornitride-nanobuisjes zijn ook geen slappelingen op het gebied van materialen, en kan worden ontworpen voor fysieke en biologische toepassingen. Echter, zelfstandig, deze materialen zijn verschrikkelijk voor gebruik in de elektronicawereld. Als dirigent, grafeen laat elektronen te snel ritselen - ze zijn niet te beheersen of te stoppen - terwijl boornitride-nanobuisjes zo isolerend zijn dat elektronen worden afgewezen als een overijverige hond die de terrasdeur raakt.

Maar samen, deze twee materialen maken een werkbare digitale schakelaar, die de basis vormt voor het aansturen van elektronen in computers, telefoons, medische apparatuur en andere elektronica.

Yoke Khin Yap, een professor in de natuurkunde aan de Michigan Technological University, heeft samengewerkt met een onderzoeksteam dat deze digitale schakelaars heeft gemaakt door grafeen- en boornitride-nanobuizen te combineren. Het journaal Wetenschappelijke rapporten hebben onlangs hun werk gepubliceerd.

"De vraag is:hoe smelt je deze twee materialen samen?" Jaap zegt. De sleutel ligt in het maximaliseren van hun bestaande chemische structuren en het benutten van hun niet-overeenkomende kenmerken.

Aanpassingen op nanoschaal

Grafeen is een molecuuldikke laag koolstofatomen; de nanobuisjes zijn als rietjes gemaakt van boor en stikstof. Yap en zijn team exfoliëren grafeen en wijzigen het oppervlak van het materiaal met kleine gaatjes. Dan kunnen ze de nanobuisjes omhoog en door de gaatjes laten groeien. Zo in elkaar geflanst, het materiaal ziet eruit als een onregelmatig ontspruitende schors, dunne haren.

"Als we deze twee aliens samenvoegen, wij creëren iets beters, "Jaap zegt, uitleggen dat het belangrijk is dat de materialen scheve bandopeningen hebben, of verschillen in hoeveel energie het kost om een ​​elektron in het materiaal op te wekken. "Als we ze samenvoegen, je vormt een bandgap-mismatch - die een zogenaamde 'potentiële barrière' creëert die elektronen tegenhoudt."

De bandgap-mismatch is het gevolg van de structuur van de materialen:de vlakke plaat van grafeen geleidt elektriciteit snel, en de atomaire structuur in de nanobuisjes stopt elektrische stromen. Deze ongelijkheid creëert een barrière, veroorzaakt door het verschil in elektronenbeweging als stromen naast en langs de haarachtige boornitride-nanobuisjes bewegen. Deze contactpunten tussen de materialen - heterojuncties genoemd - maken de digitale aan/uit-schakelaar mogelijk.

"Stel je voor dat de elektronen zijn als auto's die over een gladde baan rijden, " Zegt Yap. "Ze cirkelen rond en rond, maar dan komen ze bij een trap en worden gedwongen te stoppen."

Yap en zijn onderzoeksteam hebben ook aangetoond dat, omdat de materialen respectievelijk zo effectief zijn in het geleiden of stoppen van elektriciteit, de resulterende schakelverhouding is hoog. Met andere woorden, hoe snel de materialen aan en uit kunnen gaan, is enkele ordes van grootte groter dan de huidige grafeenschakelaars. Beurtelings, deze snelheid zou uiteindelijk het tempo van elektronica en computers kunnen versnellen.

Het halfgeleiderdilemma oplossen

Om op een dag bij snellere en kleinere computers te komen, Yap zegt dat deze studie een voortzetting is van eerder onderzoek naar het maken van transistors zonder halfgeleiders. Het probleem met halfgeleiders zoals silicium is dat ze maar zo klein kunnen worden, en ze geven veel warmte af; het gebruik van grafeen en nanobuisjes omzeilt die problemen. In aanvulling, de grafeen- en boornitride-nanobuizen hebben hetzelfde atomaire rangschikkingspatroon, of roosteraanpassing. Met hun uitgelijnde atomen, de grafeen-nanobuis digitale schakelaars zouden de problemen van elektronenverstrooiing kunnen voorkomen.

"Je wilt de richting van de elektronen bepalen, "Jaap legt uit, de uitdaging vergelijken met een flipperkast die vallen, vertraagt ​​en stuurt elektronen om. "Dit is moeilijk in omgevingen met hoge snelheden, en de elektronenverstrooiing vermindert het aantal en de snelheid van elektronen."

Net als een arcade-liefhebber, Yap zegt dat hij en zijn team zullen blijven proberen manieren te vinden om de flipperkastopstelling van grafeen te slim af te zijn of te veranderen om elektronenverstrooiing te minimaliseren. En op een dag, al hun tweaks zouden kunnen zorgen voor snellere computers - en digitale flipperkasten - voor de rest van ons.