Οι επιστήμονες δημιούργησαν τον πρώτο λειτουργικό ημιαγωγό με βάση το γραφένιο στον κόσμο, ο οποίος θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για τσιπ που τροφοδοτούν πολύ ταχύτερους υπολογιστές και κβαντικούς υπολογιστές στο μέλλον.
Το νέο ημιαγώγιμο υλικό, κατασκευασμένο από επιταξιακό γραφένιο (ένα μονοατομικό στρώμα γραφενίου ενωμένο σε μια επιφάνεια καρβιδίου του πυριτίου.Το σύνθετο αυτό υλικό λειτουργεί ως ημιαγωγός, επιτρέπει δηλαδή τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος μόνο κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες), επιτρέπει μεγαλύτερη κινητικότητα από το πυρίτιο, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται με λιγότερη αντίσταση.
Τα τρανζίστορ που κατασκευάζονται με αυτόν τον τρόπο μπορούν να λειτουργούν σε συχνότητες terahertz - 10 φορές ταχύτερα από τα τρανζίστορ με βάση το πυρίτιο που χρησιμοποιούνται σε τσιπ που χρησιμοποιούνται σήμερα - έγραψαν οι ερευνητές σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 3 Ιανουαρίου στο περιοδικό Nature.
Οι ημιαγωγοί έχουν ιδιότητες τόσο αγωγών όσο και μονωτών. Στο σωστό εύρος θερμοκρασίας, τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσω του υλικού ημιαγωγών - αλλά μόνο εάν εφαρμοστεί μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας.
Σχεδόν κάθε τσιπ χρησιμοποιεί έναν ημιαγωγό κατασκευασμένο από πυρίτιο, αλλά το υλικό φτάνει στα όριά του, δήλωσε ο επικεφαλής ερευνητής Walt de Heer, καθηγητής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια. Αυτά τα όρια περιλαμβάνουν τη μέγιστη ταχύτητα με την οποία τα τρανζίστορ μπορούν να «αλλάξουν» μεταξύ των θέσεων on-off, τη θερμότητα που παράγουν μέσω της αντίστασης και το μικρότερο μέγεθος που μπορούν να τα φτιάξουν οι άνθρωποι.
Αυτό σημαίνει ότι οι ταχείες εξελίξεις που έχουμε δει σε όλη την ιστορία της πληροφορικής αρχίζουν να επιβραδύνονται.
Το γραφένιο, εν τω μεταξύ, είναι κατασκευασμένο από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα στενά συνδεδεμένο σε ένα εξαγωνικό πλέγμα και είναι καλύτερος αγωγός από το πυρίτιο, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται με λιγότερη αντίσταση μέσω του υλικού.
Παρά τις ευνοϊκές ιδιότητές του, το γραφένιο δεν έχει ποτέ αξιοποιηθεί στα ηλεκτρονικά λόγω της έλλειψης ενός «χάσματος ζώνης» - μια ελάχιστη ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για τη μετακίνηση ηλεκτρονίων όταν εφαρμόζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο σε αυτό. Τα κενά ζώνης είναι αυτά που επιτρέπουν στα τρανζίστορ να ενεργοποιούνται και να απενεργοποιούνται.
Για να λειτουργήσει ως τρανζίστορ που λειτουργεί, το γραφένιο πρέπει να αντιμετωπιστεί με κάποιο τρόπο, αλλά στο παρελθόν, αυτό έχει καταστρέψει τις ιδιότητές του, δήλωσε ο de Heer.
Αλλά οι ερευνητές εργάστηκαν γύρω από αυτή την πρόκληση με τη σύντηξη γραφενίου σε καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιώντας ειδικούς κλιβάνους και μια ειδική διαδικασία θέρμανσης και ψύξης. Τοποθετώντας άτομα στο γραφένιο που «δωρίζουν» ηλεκτρόνια στο σύστημα, το οποίο είναι γνωστό ως «ντόπινγκ», δημιούργησαν έναν λειτουργικό ημιαγωγό γραφενίου με κενό ζώνης.
Αυτός δεν είναι μόνο ο πρώτος ημιαγωγός με βάση το γραφένιο που λειτουργεί, αλλά μπορεί επίσης να ενσωματωθεί στις υπάρχουσες διαδικασίες παραγωγής. Η μετάβαση από την κατασκευή πλακιδίων πυριτίου στα πλακίδια καρβιδίου του πυριτίου που χρησιμοποιούνται στο επιταξιακό γραφένιο είναι «αρκετά εφικτή», δήλωσε ο de Heer.
Οι ημιαγωγοί με βάση το γραφένιο έχουν επίσης πιθανή μελλοντική χρήση στην κβαντική υπολογιστική, έγραψαν οι ερευνητές στη μελέτη.
″Όπως το φως, τα ηλεκτρόνια στο γραφένιο έχουν κβαντομηχανικές κυματοειδείς ιδιότητες που μπορούν να προσεγγιστούν σε συσκευές, ιδιαίτερα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες”, δήλωσε ο de Heer.
Αυτός είναι ένας τομέας που οι επιστήμονες ελπίζουν να διερευνήσουν σε μεταγενέστερη έρευνα, αλλά ο de Heer δήλωσε ότι μένει να δούμε αν οι ημιαγωγοί με βάση το γραφένιο μπορούν να λειτουργήσουν καλύτερα από την τρέχουσα υπεραγώγιμη τεχνολογία, η οποία χρησιμοποιείται στους πιο προηγμένους κβαντικούς υπολογιστές.