Wetenschap
Nieuwe methode kan het gebruik van grafeen-nanolinten in nano-elektronica vergemakkelijken
Een internationaal gezamenlijk onderzoek met onderzoekers van de Universiteit van Tel Aviv (TAU) presenteerde een nieuwe methode voor het kweken van ultralange en ultra-smalle stroken grafeen (een derivaat van grafiet), die halfgeleidende eigenschappen vertonen die kunnen worden benut door de nano-elektronica-industrie . De onderzoekers zijn van mening dat de ontwikkeling veel potentiële technologische toepassingen kan hebben, waaronder geavanceerde schakelapparaten, spintronische apparaten en in de toekomst zelfs kwantumcomputerarchitecturen.
De studie werd uitgevoerd onder leiding van een internationaal onderzoeksteam, waaronder prof. Michael Urbakh en prof. Oded Hod van de TAU School of Chemistry, evenals wetenschappers uit China, Zuid-Korea en Japan. Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature .
Prof. Urbakh en Prof. Hod leggen uit dat grafeen eigenlijk een enkele laag grafiet is, gemaakt van koolstofatomen en gebouwd in de vorm van een bijenkorf. Grafeen is zeer geschikt voor technologische toepassingen.
Naast de buitengewone mechanische sterkte zijn er de afgelopen jaren aanvullende eigenschappen ontdekt van bepaalde structuren die zijn gemaakt van een klein aantal gedraaide (lateraal ten opzichte van elkaar geroteerde) grafeenlagen. Deze eigenschappen omvatten supergeleiding, spontane elektrische polarisatie, gecontroleerde warmtegeleiding en structurele supergladheid – een toestand waarin materialen verwaarloosbare wrijving en slijtage vertonen.
Eén van de beperkingen voor het gebruik van grafeen in de elektronica-industrie is dat het een halfmetaal is, namelijk dat ladingsdragers er vrij in kunnen bewegen, maar dat hun dichtheid erg laag is. Daarom kan grafeen niet worden gebruikt als geleidend metaal of als halfgeleider die wordt gebruikt door de elektronische chipindustrie.
Als echter lange en dunne stroken grafeen (grafeen nanolinten genoemd) uit een brede grafeenplaat worden gesneden, worden de kwantumladingsdragers opgesloten binnen de smalle dimensie, waardoor ze halfgeleidend worden en hun gebruik in kwantumschakelapparaten mogelijk wordt. Momenteel zijn er een aantal barrières voor het gebruik van grafeen nanolinten in apparaten, waaronder de uitdaging van het reproduceerbaar kweken van smalle en lange platen die geïsoleerd zijn van de omgeving.
In deze nieuwe studie konden de onderzoekers een methode ontwikkelen om op katalytische wijze smalle, lange en reproduceerbare grafeen-nanolinten direct in isolerende hexagonale boornitridestapels te laten groeien, en om topprestaties te demonstreren in kwantumschakelapparaten op basis van de nieuw gegroeide linten. . Het unieke groeimechanisme werd onthuld met behulp van geavanceerde simulatietools voor moleculaire dynamica die zijn ontwikkeld en geïmplementeerd door de Israëlische teams.
Deze berekeningen toonden aan dat ultralage wrijving in bepaalde groeirichtingen binnen het boornitridekristal de reproduceerbaarheid van de structuur van het lint dicteert, waardoor het direct in een schone en geïsoleerde omgeving tot ongekende lengtes kan groeien.
De onderzoekers zien de ontwikkeling als een wetenschappelijke en technologische doorbraak op het gebied van nanomaterialen, die naar verwachting de deur zal openen voor een breed scala aan onderzoeken die zullen leiden tot het gebruik ervan in de nano-elektronica-industrie.
Prof. Urbakh en Prof. Hod vatten samen:"Het belang van deze nieuwe ontwikkeling is dat het nu voor het eerst mogelijk is om op koolstof gebaseerde nano-elektronische schakelapparaten rechtstreeks binnen een isolerende matrix te fabriceren. Deze apparaten zullen waarschijnlijk veel technologische toepassingen hebben, inclusief elektronische en spintronische systemen, en zelfs kwantumcomputerapparatuur."