In het televisiedrama "Mission Impossible, " instructies voor de missie werden afgeleverd op een geluidsband die zichzelf onmiddellijk na het afspelen vernietigde. Mocht die serie ooit nieuw leven worden ingeblazen, de producenten willen misschien praten met professor Andrei Fedorov van het Georgia Institute of Technology over het gebruik van zijn "verdwijnende circuits" om de instructies te leveren.

Met behulp van koolstofatomen die zijn afgezet op grafeen met een gefocust elektronenstraalproces, Fedorov en medewerkers hebben een techniek gedemonstreerd voor het creëren van dynamische patronen op grafeenoppervlakken. De patronen kunnen worden gebruikt om herconfigureerbare elektronische circuits te maken, die zich over een periode van uren ontwikkelen voordat ze uiteindelijk verdwijnen in een nieuwe elektronische toestand van het grafeen. Grafeen bestaat ook uit koolstofatomen, maar in een zeer geordende vorm.

Gerapporteerd in het journaal nanoschaal , het onderzoek werd voornamelijk ondersteund door het Amerikaanse Department of Energy Office of Science, en betrokken samenwerking met onderzoekers van het Air Force Research Laboratory (AFRL), ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research. Naast het toestaan ​​van fabricage van verdwijnende circuits, de technologie zou kunnen worden gebruikt als een vorm van getimede afgifte waarbij de dissipatie van de koolstofpatronen andere processen zou kunnen beheersen, zoals het vrijkomen van biomoleculen.

"We zullen nu elektronische circuits kunnen tekenen die in de loop van de tijd evolueren, " zei Andrei Fedorov, een professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering aan Georgia Tech. "Je zou een circuit kunnen ontwerpen dat nu in één richting werkt, maar na een dag wachten tot de koolstof over het grafeenoppervlak diffundeert, je zou geen elektronisch apparaat meer hebben. Vandaag zou het apparaat één ding doen; morgen zou het iets heel anders doen."

Het project begon als een manier om koolwaterstoffen op te ruimen die het oppervlak van het grafeen verontreinigen. Maar de onderzoekers realiseerden zich al snel dat ze het konden gebruiken om patronen te creëren, gebruikmakend van de amorfe koolstof geproduceerd via elektronenstraal "schrijven" als een doteringsmiddel om negatief geladen delen van grafeen te creëren.

De onderzoekers waren aanvankelijk perplex toen ze ontdekten dat hun nieuw gevormde patronen na verloop van tijd verdwenen. Ze gebruikten elektronische metingen en atoomkrachtmicroscopie om te bevestigen dat de koolstofpatronen op het grafeenoppervlak waren verplaatst om uiteindelijk een uniforme dekking over een volledig grafeenoppervlak te vormen. De verandering vindt meestal plaats over tientallen uren, en zet uiteindelijk positief geladen (p-gedoteerde) oppervlaktegebieden om in oppervlakken met een uniform negatieve lading (n-gedoteerd) terwijl in de loop van deze evolutie een intermediair pn-overgangsdomein wordt gevormd.

"De elektronische structuren veranderen continu in de loop van de tijd, " legde Fedorov uit. "Dat geeft je een herconfigureerbaar apparaat, vooral omdat onze koolstofafzetting niet wordt gedaan met behulp van bulkfilms, maar eerder een elektronenstraal die wordt gebruikt om te tekenen waar je wilt dat een negatief gedoteerd domein bestaat."

Grafeen bestaat uit koolstofatomen die in een strak rooster zijn gerangschikt. De unieke structuur biedt aantrekkelijke elektronische eigenschappen die hebben geleid tot wijdverbreide studie van grafeen als een potentieel nieuw materiaal voor geavanceerde elektronische toepassingen.

Maar grafeen bestaat nog steeds uit koolstofatomen, en wanneer patronen op het oppervlak worden afgezet met gewone koolstofatomen, ze beginnen langzaam over het grafeenoppervlak te migreren. De snelheid waarmee de atomen bewegen kan worden aangepast door de temperatuur te variëren of door structuren te maken die de beweging van de atomen sturen. De koolstofatomen kunnen ook worden "bevroren" in een vast patroon door ze met een laser om te zetten in grafiet - een andere vorm van koolstof.

"Er zijn meerdere manieren om de dynamische toestand te moduleren, door de temperatuur te veranderen omdat dat de diffusiesnelheid van koolstof regelt, door de atoomstroom te sturen, of door de koolstoffase te veranderen, " Fedorov zei. "De koolstof die wordt afgezet door het gefocusseerde elektronenstraal-geïnduceerde depositieproces (FEBID) is heel losjes gekoppeld aan grafeen door van der Waals-interacties, dus het is mobiel."

Naast de mogelijke beveiligingstoepassingen voor verdwijnende circuits, Fedorov ziet de mogelijkheid van vereenvoudigde controlemechanismen die de diffusiepatronen zouden gebruiken om processen met vooraf ingestelde intervallen uit te schakelen. De techniek kan ook worden gebruikt om de afgifte van geneesmiddelen of andere biomedische processen te timen.

"Je zou informatie in enen en nullen kunnen schrijven met de elektronenstraal, het apparaat gebruiken om informatie over te dragen, en dan twee uur later is de informatie verdwenen, " zei hij. "In plaats van te vertrouwen op complexe besturingsalgoritmen die een microprocessor moet uitvoeren, door de dynamische toestand of het elektronische systeem zelf te veranderen, uw programma kan heel eenvoudig worden. Misschien kan er een bepaalde geactiveerd zijn, processen in gang gezet die zouden kunnen profiteren van dit soort gedrag waarbij de elektronische toestand in de loop van de tijd continu verandert."

Fedorov en zijn medewerkers hebben tot nu toe alleen het vermogen getoond om eenvoudige patronen van geladen domeinen in het grafeen te creëren. Hun volgende stap zal zijn om hun pn-knooppunten te gebruiken om apparaten te maken die voor specifieke perioden zouden werken.

Fedorov geeft toe dat deze dynamische koolstofpatronen een uitdaging kunnen vormen voor elektrotechnici die gewend zijn aan statische apparaten die dag in dag uit dezelfde functies uitvoeren. Maar hij denkt dat sommigen nuttige toepassingen zullen vinden voor dit nieuwe fenomeen.

"We hebben een cruciale stap gezet in ontdekking en begrip, " zei hij. "De volgende stap zal zijn om een ​​gecompliceerde en unieke toepassing te demonstreren die anders onmogelijk zou zijn met een conventioneel circuit. Dat zou een heel nieuw niveau van opwinding brengen."