In 2004, onderzoekers ontdekten een superdun materiaal dat minstens 100 keer sterker is dan staal en de bekendste geleider van warmte en elektriciteit.

Dit betekent dat het materiaal, grafeen, zou snellere elektronica kunnen brengen dan vandaag mogelijk is met silicium.

Maar om echt nuttig te zijn, grafeen zou een elektrische stroom moeten voeren die aan en uit gaat, zoals wat silicium doet in de vorm van miljarden transistors op een computerchip. Deze omschakeling creëert reeksen van nullen en enen die een computer gebruikt voor het verwerken van informatie.

Purdue University-onderzoekers, in samenwerking met de University of Michigan en de Huazhong University of Science and Technology, laten zien hoe een lasertechniek grafeen permanent kan benadrukken in een structuur die de stroom van elektrische stroom mogelijk maakt.

Deze structuur is een zogenaamde "bandgap". Elektronen moeten over deze kloof springen om geleidingselektronen te worden, waardoor ze in staat zijn om elektrische stroom te voeren. Maar grafeen heeft van nature geen band gap.

Purdue-onderzoekers creëerden en verbreedden de band gap in grafeen tot een record van 2,1 elektronvolt. Om te functioneren als een halfgeleider zoals silicium, de band gap zou minimaal het vorige record van 0,5 elektronvolt moeten zijn.

"Dit is de eerste keer dat een inspanning zulke hoge bandgaps heeft bereikt zonder grafeen zelf aan te tasten, bijvoorbeeld door middel van chemische doping. We hebben het materiaal puur gespannen, " zei Gary Cheng, hoogleraar industriële techniek aan Purdue, wiens lab verschillende manieren heeft onderzocht om grafeen bruikbaarder te maken voor commerciële toepassingen.

Door de aanwezigheid van een bandgap kunnen halfgeleidermaterialen schakelen tussen isoleren of geleiden van een elektrische stroom, afhankelijk van of hun elektronen over de band gap worden geduwd of niet.

Het overtreffen van 0,5 elektronvolt ontgrendelt nog meer potentieel voor grafeen in elektronische apparaten van de volgende generatie, zeggen de onderzoekers. Hun werk verschijnt in een uitgave van Geavanceerde materialen .

"Onderzoekers in het verleden openden de band gap door simpelweg grafeen uit te rekken, maar rekken alleen vergroot de band gap niet veel. Je moet de vorm van grafeen permanent veranderen om de band gap open te houden, ' zei Chen.

Cheng en zijn medewerkers hielden niet alleen de band gap open in grafeen, maar bereikte ook waar de spleetbreedte kon worden afgestemd van nul tot 2,1 elektronvolt, waardoor wetenschappers en fabrikanten de mogelijkheid hebben om bepaalde eigenschappen van grafeen te gebruiken, afhankelijk van wat ze willen dat het materiaal doet.

De onderzoekers maakten de band gap-structuur permanent in grafeen met behulp van een techniek genaamd lasershock imprinting, die Cheng in 2014 samen met wetenschappers van Harvard University ontwikkelde, het Madrid Institute for Advanced Studies en de University of California, San Diego.

Voor deze studie is de onderzoekers gebruikten een laser om schokgolfimpulsen te creëren die een onderliggende laag grafeen binnendrongen. De laserschok spant grafeen op een greppelachtige mal en vormt het permanent. Door het laservermogen aan te passen, wordt de bandafstand aangepast.

Hoewel het nog verre van grafeen in halfgeleidende apparaten te stoppen, de techniek biedt meer flexibiliteit bij het profiteren van de optische, magnetische en thermische eigenschappen, zei Chen.