Transistors op basis van koolstof in plaats van silicium zouden de snelheid van computers mogelijk kunnen verhogen en hun stroomverbruik meer dan duizendvoudig kunnen verminderen - denk aan een mobiele telefoon die zijn lading maandenlang vasthoudt - maar de set gereedschappen die nodig zijn om werkende koolstofcircuits te bouwen, is onvolledig gebleven totdat nu.

Een team van scheikundigen en natuurkundigen aan de Universiteit van Californië, Berkeley, heeft eindelijk de laatste tool in de toolbox gemaakt, een metalen draad volledig gemaakt van koolstof, de weg vrijmaken voor een toename van het onderzoek om op koolstof gebaseerde transistors te bouwen en, uiteindelijk, computers.

"Binnen hetzelfde materiaal blijven, op het gebied van op koolstof gebaseerde materialen, is wat deze technologie nu samenbrengt, " zei Felix Fischer, UC Berkeley hoogleraar scheikunde, opmerkend dat de mogelijkheid om alle circuitelementen van hetzelfde materiaal te maken, de fabricage eenvoudiger maakt. "Dat was een van de belangrijkste dingen die ontbraken in het grote geheel van een volledig op koolstof gebaseerde geïntegreerde schakelingsarchitectuur."

Metalen draden - zoals de metalen kanalen die worden gebruikt om transistors in een computerchip met elkaar te verbinden - vervoeren elektriciteit van apparaat naar apparaat en verbinden de halfgeleidende elementen in transistors met elkaar, de bouwstenen van computers.

De UC Berkeley-groep werkt al enkele jaren aan het maken van halfgeleiders en isolatoren van grafeen-nanoribbons, die smal zijn, eendimensionale stroken atoomdik grafeen, een structuur die volledig bestaat uit koolstofatomen die zijn gerangschikt in een onderling verbonden hexagonaal patroon dat lijkt op kippengaas.

Het nieuwe op koolstof gebaseerde metaal is ook een grafeen nanolint, maar ontworpen met het oog op het geleiden van elektronen tussen halfgeleidende nanoribbons in volledig koolstoftransistors. De metalen nanoribbons werden gebouwd door ze samen te stellen uit kleinere identieke bouwstenen:een bottom-up benadering, zei Fischers collega, Michael Crommie, een UC Berkeley hoogleraar natuurkunde. Elke bouwsteen draagt ​​een elektron bij dat vrij langs het nanolint kan stromen.

Terwijl andere op koolstof gebaseerde materialen, zoals verlengde 2D-platen van grafeen en koolstofnanobuizen, van metaal kunnen zijn, ze hebben hun problemen. Een 2D-vel grafeen omvormen tot stroken op nanometerschaal, bijvoorbeeld, verandert ze spontaan in halfgeleiders, of zelfs isolatoren. Koolstof nanobuisjes, die uitstekende geleiders zijn, kunnen niet met dezelfde precisie en reproduceerbaarheid in grote hoeveelheden worden bereid als nanolinten.

"Nanoribbons stellen ons in staat om chemisch toegang te krijgen tot een breed scala aan structuren met behulp van bottom-up fabricage, iets wat nog niet mogelijk is met nanobuisjes, Crommie zei. "Dit heeft ons in staat gesteld om elektronen aan elkaar te naaien om een ​​metalen nanoribbon te creëren, iets niet eerder gedaan. Dit is een van de grote uitdagingen op het gebied van grafeen nanoribbon-technologie en waarom we er zo enthousiast over zijn."

Metalen grafeen nanoribbons - met een brede, gedeeltelijk gevulde elektronische band die kenmerkend is voor metalen - zou qua geleiding vergelijkbaar moeten zijn met 2D-grafeen zelf.

"We denken dat de metalen draden echt een doorbraak zijn; het is de eerste keer dat we opzettelijk een ultrasmalle metalen geleider kunnen maken - een goede, intrinsieke geleider - van op koolstof gebaseerde materialen, zonder externe doping, "voegde Fischer toe.

Crommie, Fischer en hun collega's van UC Berkeley en Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) zullen hun bevindingen publiceren in het 25 september nummer van het tijdschrift Wetenschap .

De topologie tweaken

Op silicium gebaseerde geïntegreerde schakelingen hebben computers al tientallen jaren van stroom voorzien met steeds toenemende snelheid en prestaties, volgens de wet van Moore, maar ze bereiken hun snelheidslimiet - dat wil zeggen, hoe snel ze kunnen schakelen tussen nullen en enen. Het wordt ook steeds moeilijker om het stroomverbruik te verminderen; computers gebruiken al een aanzienlijk deel van de wereldenergieproductie. Op koolstof gebaseerde computers zouden mogelijk vele malen sneller kunnen schakelen dan siliciumcomputers en slechts een fractie van de stroom verbruiken, aldus Fischer.

grafeen, dat is pure koolstof, is een toonaangevende kandidaat voor deze volgende generatie, op koolstof gebaseerde computers. Smalle stroken grafeen zijn voornamelijk halfgeleiders, echter, en de uitdaging was om ze ook als isolatoren en metalen te laten werken - tegenovergestelde uitersten, totaal niet-geleidend en volledig geleidend, respectievelijk - om transistors en processors volledig uit koolstof te construeren.

Een aantal jaar geleden, Fischer en Crommie werkten samen met theoretisch materiaalwetenschapper Steven Louie, een UC Berkeley hoogleraar natuurkunde, om nieuwe manieren te ontdekken om kleine lengtes nanolint met elkaar te verbinden om op betrouwbare wijze het volledige scala aan geleidende eigenschappen te creëren.

Twee jaar geleden, het team toonde aan dat door korte segmenten van nanoribbon op de juiste manier te verbinden, elektronen in elk segment kunnen worden gerangschikt om een ​​nieuwe topologische toestand te creëren - een speciale kwantumgolffunctie - die leidt tot afstembare halfgeleidende eigenschappen.

In het nieuwe werk ze gebruiken een vergelijkbare techniek om korte segmenten van nanolinten aan elkaar te naaien om een ​​geleidende metalen draad te maken van tientallen nanometers lang en amper een nanometer breed.

De nanoribbons zijn chemisch gemaakt en afgebeeld op zeer vlakke oppervlakken met behulp van een scanning tunneling microscoop. Simpele warmte werd gebruikt om de moleculen chemisch te laten reageren en op de juiste manier samen te voegen. Fischer vergelijkt de assemblage van in serie geschakelde bouwstenen met een set lego's, maar Lego's ontworpen om op atomaire schaal te passen.

"Ze zijn allemaal zo nauwkeurig ontworpen dat ze maar op één manier in elkaar passen. Het is alsof je een zak Lego's neemt, en je schudt het, en er komt een volledig geassembleerde auto uit, "zei hij. "Dat is de magie van het beheersen van de zelfassemblage met chemie."

Eenmaal gemonteerd, De elektronische toestand van het nieuwe nanoribbon was een metaal - precies zoals Louie voorspelde - waarbij elk segment een enkel geleidend elektron bijdroeg.

De uiteindelijke doorbraak kan worden toegeschreven aan een minieme verandering in de nanoribbon-structuur.

"Met behulp van chemie, we hebben een kleine verandering gecreëerd, een verandering in slechts één chemische binding per ongeveer elke 100 atomen, maar die de metalliciteit van het nanolint met een factor 20 verhoogde, en dat is belangrijk, vanuit praktisch oogpunt, om dit een goed metaal te maken, ' zei Crommie.

De twee onderzoekers werken samen met elektrotechnici van UC Berkeley om hun gereedschapskist met halfgeleiders, isolerende en metalen grafeen nanoribbons in werkende transistors.

"Ik geloof dat deze technologie een revolutie teweeg zal brengen in de manier waarop we in de toekomst geïntegreerde schakelingen bouwen, Fischer zei. "Het zou ons een grote stap vooruit moeten brengen van de beste prestaties die op dit moment van silicium kunnen worden verwacht. We hebben nu een manier om toegang te krijgen tot hogere schakelsnelheden bij een veel lager stroomverbruik. Dat is de stuwende kracht achter een op koolstof gebaseerde halfgeleiderindustrie in de toekomst."