Jesteśmy o krok od elektroniki opartej na grafenie

Limity wydajności krzemu

Niewiele jesteśmy już w stanie wycisnąć z krzemu. Powoli wyczerpujemy jego zdolność do obsługi coraz szybszych obliczeń, jakich dokonuje nasza elektronika oraz możliwość miniaturyzacji struktur stworzonych z jego wykorzystaniem. Mówiąc krótko, aby posunąć się dalej z rozwojem naszej technologii, potrzebujemy czegoś, co będzie mogło być mniejsze, a jednocześnie będzie jeszcze szybciej przewodzić ładunki. Tym czymś mógłby być grafen, o którego niezwykłych właściwościach regeneracji niedawno pisaliśmy.

Wadami tej koncepcji może być niestety szkodliwość grafenu dla ludzi oraz środowiska, jednak Walter de Heer, profesor katedry fizyki w Instytucie Technologii w Georgii postanowił przywrócić ten pomysł do łask. De Heer i jego współpracownicy opracowali nową platformę nanoelektroniczną opartą na grafenie. Technologia jest kompatybilna z konwencjonalną produkcją mikroelektroniki, co jest warunkiem koniecznym, by móc mówić o stosowaniu jakichś realnych alternatyw dla krzemu.

Elektronika oparta na epigrafenie

Już ponad dwadzieścia lat temu de Heer zaproponował alternatywną wersję elektroniki opartej na grafenie epitaksjalnym (epigrafenie), czyli warstwie grafenu, która spontanicznie powstaje na wierzchu kryształu węglika krzemu. Jest po półprzewodnik stosowany do produkcji elektroniki dużej mocy. Badacze stwierdzili wówczas, że prąd płynie bez oporu wzdłuż krawędzi epigrafenu, a urządzenia stworzone z ich wykorzystaniem można łączyć ze sobą bez użycia metalowych drutów. Teraz po latach udało się udoskonalić proces

Aby stworzyć platformę nanoelektroniczną, naukowcy stworzyli zmodyfikowaną formę epigrafenu na podłożu krystalicznym z węglika krzemu. We współpracy z chińskimi partnerami wyprodukowali unikalne chipy z kryształków węglika krzemu klasy elektronicznej. Naukowcy skorzystali z wiązki elektronów, aby wyrzeźbić nanostruktury grafenowe i przyspawać ich krawędzie do wiórków węglika krzemu. Ładunki elektryczne, które zespół zaobserwował na krawędzi tak spreparowanego grafenu, były podobne do fotonów mknących światłowodem, które mogą przemieszczać się na duże odległości bez rozpraszania. Ładunki podróżowały dziesiątki tysięcy nanometrów wzdłuż krawędzi bez rozpraszania się, podczas gdy w poprzednich technologiach dochodziło do rozproszenia ładunku wskutek niedoskonałości struktury po około 10 nanometrach. 

Kwazicząsteczka i miniaturyzacja

Jest duża szansa, że podczas swoich badań naukowcy zaobserwowali dotychczas teoretyczną kwazicząsteczkę. W metalach prąd elektryczny jest przenoszony przez ujemnie naładowane elektrony, jednak pomiary sugerowały, że w nowej platformie prądy krawędziowe nie były przenoszone przez elektrony ani przez tzw. dziury, czyli dodatnie kwazicząsteczki wykazujące brak elektronu. Prądy były przenoszone przez niezwykłą kwazicząsteczkę, która nie ma ładunku ani energii, a mimo to porusza się bez oporu. Unikalne właściwości wskazują, że może to być nieuchwytny dotąd fermion Majorany, przewidziany przez włoskiego fizyka teoretycznego Ettore Majorana w 1937 roku.

Dzięki tym niezwykłym odkryciom być może za pięć do dziesięciu lat uda się opracować pierwszą funkcjonalną elektronikę opartą na grafenie, jak powiedział de Heer. Urządzenia takie będzie można dużo bardziej zminiaturyzować, a przy tym będą one o całe rzędy wielkości wydajniejsze niż dziś wykorzystywane struktury krzemowe. 

Od początku było jasne, że grafen można zminiaturyzować w znacznie większym stopniu niż krzem — umożliwiając znacznie mniejsze urządzenia, pracujące z większymi prędkościami i wytwarzające znacznie mniej ciepła. Oznacza to, że na jednym chipie grafenowym można upakować znacznie więcej urządzeń niż na krzemie.

Źródło: technology.org