Elektronika oparta na grafenie ?

Politechnika Danii: Grafen nanostrukturalny

Przez 15 lat naukowcy próbowali wykorzystać grafen “cudowny materiał” do wytwarzania elektroniki w nanoskali. Na papierze grafen powinien świetnie nadawać się do tego: jest ultra cienki – ma tylko jeden atom, a zatem jest prawie dwuwymiarowy, doskonale nadaje się do przewodzenia prądu elektrycznego i jest obiecujący dla przyszłych form elektroniki, które są szybsze i wydajniejsze energetycznie.

Grafen składa się z atomów węgla – których mamy w zasadzie nieograniczoną podaż. Teoretycznie można go zmienić, aby wykonywać wiele różnych zadań w ramach np. elektroniki, fotoniki lub czujników poprzez wycinanie w nim drobnych wzorów, co zasadniczo zmienia jego kwantowe właściwości. Jednym z “prostszych” zadań, które okazało się jednak zaskakująco trudne, jest stworzenie luki między pasmami. Luki mającej kluczowe znaczenie dla tworzenia tranzystorów i urządzeń optoelektronicznych. Ponieważ jednak grafen jest tylko grubym atomem więc wszystkie atomy są ważne, a nawet małe nieregularności we wzorze mogą zniszczyć jego właściwości.

“Grafen to fantastyczny materiał, który moim zdaniem odegra kluczową rolę w tworzeniu nowej nanoskalowej elektroniki. Problem polega na tym, że niezwykle trudno jest zaprojektować jego właściwości elektryczne “- mówi Peter Bøggild, profesor w DTU Physics.

W celu zbadania sposobu dostosowania właściwości elektrycznych grafenu poprzez zmianę jego kształtu na niezwykle małą skalę utworzono w Danii Centrum Dermatografii Nanostrukturalnej DTU na Uniwersytecie w Aalborg.

Podczas opracowywania grafenu zespół badaczy doświadczał tego samego, co inni naukowcy na całym świecie: projekt nie działał. “Gdy tworzymy wzory w materiale, takim jak grafen robimy to, aby zmienić jego właściwości w kontrolowany sposób – aby dopasować się do projektu. Jednak to, co widzieliśmy przez te wszystkie lata, to jedynie to, że możemy wprawdzie zrobić dziury, ale wprowadzamy przy tym tyle zaburzeń i zanieczyszczeń, że próbka nie zachowuje się już jak grafen. Jest to trochę podobne do robienia fajki wodnej, która jest częściowo zablokowana z powodu złej produkcji. Na zewnątrz wygląda to dobrze, ale woda nie może swobodnie płynąć. To oczywiście katastrofalne” – mówi Peter Bøggild.

Zespół naukowców DTU rozwiązał jednak ten problem. Wyniki opublikowano w dziale Nature Nanotechnology. Dwóch naukowców z DTU Physics, Bjarke Jessen i Lene Gammelgaard, umieścili grafen wewnątrz innego dwuwymiarowego materiału – heksagonalnego azotku boru, nieprzewodzącego materiału, który jest często stosowany do ochrony właściwości grafenu. Następnie zastosowali technikę zwaną litografią wiązką elektronów, aby narysować warstwę ochronną azotku boru i grafenu za pomocą gęstego zestawu bardzo małych otworów. Otwory mają średnicę ok. 20 nanometrów w odstępach co 12 nanometrów, a nierówności na krawędzi otworów są mniejsze niż 1 nanometr, czyli jedna miliardowa metra. Pozwala to na przepływ 1000 razy więcej prądu elektrycznego niż było to możliwe w tak małych strukturach grafenu. Ale nie tylko to. “Pokazaliśmy, że możemy kontrolować strukturę pasmową grafenu i projektować jego zachowanie. Kiedy kontrolujemy strukturę pasma, mamy dostęp do wszystkich właściwości grafenu – i ku naszemu zdziwieniu stwierdziliśmy, że niektórym z najbardziej subtelnych kwantowych efektów elektronicznych nie przeszkadza gęsty wzór – rezultaty sa bardzo zachęcające: nasza praca sugeruje, że możemy usiąść przed komputerem i projektować komponenty i urządzenia – lub wymyślić coś zupełnie nowego – a następnie udać się do laboratorium i zrealizować je w praktyce “- mówi Peter Bøggild i dalej kontynuuje: “Wielu naukowców już od dawna porzuciło próby nanolitografii w grafenie o tej skali, a szkoda, ponieważ nanostrukturyzacja jest kluczowym narzędziem do wykorzystania najbardziej ekscytujących cech elektroniki grafenowej i fotoniki.” Teraz zbadaliśmy jak można to zrobić. Można powiedzieć, że klątwa została zniesiona, ale są jeszcze inne wyzwania i fakt, że możemy dostosować elektronowe właściwości grafenu, to duży krok w kierunku stworzenia nowej elektroniki o niezwykle małych rozmiarach “, twierdzi Peter Bøggild

Carl Otto Moesgaard