محققان موسسه فناوری جورجیا اولین نیمه هادی کاربردی جهان را ساخته اند که از گرافن ساخته شده است، ورقه ای از اتم های کربن که توسط قوی ترین پیوندهای شناخته شده در کنار هم قرار گرفته اند. نیمه هادی ها که موادی هستند که تحت شرایط خاصی جریان الکتریسیته را هدایت می کنند، اجزای ضروری دستگاه های الکترونیکی هستند. پیشرفت این تیم راه جدیدی را برای ساخت وسایل الکترونیکی باز می کند.
مال آنهاست کشف این در زمانی اتفاق می‌افتد که سیلیکون، ماده‌ای که تقریباً تمام وسایل الکترونیکی مدرن از آن ساخته می‌شوند، در مواجهه با محاسبات سریعتر و دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌تر به حد خود رسیده است. والتر دی هیرRegents استاد فیزیک در جورجیا تک، تیمی از محققان مستقر در آتلانتا، جورجیا، و تیانجین، چین، برای تولید نیمه‌رسانای گرافنی که با روش‌های پردازش میکروالکترونیک مرسوم سازگار است، رهبری کرد که برای هر جایگزین مناسبی برای سیلیکون ضروری است.
در این آخرین مطالعه، منتشر شده در طبیعتد هیر و تیمش بر مانع اصلی که دهه‌ها تحقیقات گرافن را با مشکل مواجه کرده است، غلبه کرده‌اند و به همین دلیل بسیاری فکر می‌کنند الکترونیک گرافن هرگز کار نخواهد کرد. این یک ویژگی الکترونیکی مهم است که به نیمه هادی ها امکان روشن و خاموش شدن را می دهد. گرافن تا به حال هیچ شکاف نواری نداشته است.
دی هیر گفت: «ما اکنون یک نیمه رسانای گرافنی بسیار قوی با قابلیت تحرک 10 برابر سیلیکون داریم و همچنین دارای خواص منحصر به فردی است که در سیلیکون موجود نیست. “اما داستان کار ما در 10 سال گذشته این بوده است، “آیا می‌توانیم این مواد را به اندازه کافی خوب برای کار کردن داشته باشیم؟”
نوع جدیدی از نیمه هادی ها
دی هیر در اوایل کار خود شروع به تحقیق در مورد مواد مبتنی بر کربن به عنوان نیمه هادی های بالقوه کرد و سپس در سال 2001 به تحقیق در مورد گرافن دو بعدی روی آورد. در آن زمان بود که او متوجه شد گرافن پتانسیلی برای الکترونیک دارد.
او گفت: “ما با این امید به معرفی سه ویژگی خاص گرافن در الکترونیک بودیم.” این یک ماده بسیار قوی است که می تواند جریان های بسیار بالایی را تحمل کند و می تواند بدون گرم شدن و شکستن این کار را انجام دهد.
دی هیر زمانی به موفقیت دست یافت که او و تیمش نحوه رشد گرافن را بر روی ویفرهای کاربید سیلیکون با استفاده از کوره های ویژه کشف کردند. آنها گرافن اپیتاکسیال را تولید می کنند که یک لایه منفرد است که روی یک سطح کریستالی از کاربید سیلیکون رشد می کند. این تیم دریافتند که وقتی به درستی ساخته شود، گرافن اپیتاکسیال از نظر شیمیایی با کاربید سیلیکون پیوند می خورد و شروع به نشان دادن خواص نیمه هادی می کند.
در طول دهه بعد، آنها به اصلاح مطالب در Georgia Tech و بعداً با همکاری همکاران خود ادامه دادند. مرکز بین المللی تیانجین برای نانوذرات و نانوسیستم ها در دانشگاه تیانجین چین دی هیر این مرکز را در سال 2014 با لی ما، مدیر مرکز و یکی از نویسندگان مقاله تأسیس کرد.
چگونه این کار را انجام دادند
گرافن در شکل طبیعی خود نه نیمه رسانا است و نه فلز، بلکه یک نیمه فلز است. شکاف نواری ماده ای است که می تواند وقتی میدان الکتریکی روی آن اعمال می شود روشن و خاموش شود، که این روشی است که تمام ترانزیستورها و الکترونیک سیلیکونی کار می کنند. سوال اصلی در تحقیقات الکترونیک گرافن این بوده است که چگونه آن را روشن و خاموش کنیم تا بتواند مانند سیلیکون کار کند.
اما برای ساخت یک ترانزیستور کاربردی، مواد نیمه هادی باید زیاد دستکاری شوند که می تواند به خواص آن آسیب برساند. برای اثبات اینکه پلت فرم آنها می تواند به عنوان یک نیمه هادی قابل دوام عمل کند، تیم مجبور شد ویژگی های الکترونیکی آن را بدون آسیب رساندن به آن اندازه گیری کند.
آنها اتم‌هایی را روی گرافن می‌گذارند که الکترون‌ها را به سیستم «اهدا» می‌کنند – تکنیکی به نام دوپینگ که برای بررسی اینکه آیا این ماده رسانای خوبی است یا خیر. بدون آسیب رساندن به مواد یا خواص آن کار می کند.
اندازه گیری های این تیم نشان می دهد که نیمه هادی گرافنی آنها 10 برابر سیلیکون تحرک دارد. به عبارت دیگر الکترون ها با مقاومت بسیار کم حرکت می کنند که در الکترونیک به معنای محاسبات سریعتر است. دی هیر می گوید: «مثل رانندگی در جاده های شنی در مقابل رانندگی در بزرگراه است. کارآمدتر است، به اندازه‌ای گرم نمی‌شود و امکان سرعت‌های بالاتر را فراهم می‌کند تا الکترون‌ها بتوانند سریعتر حرکت کنند.»
محصول این تیم در حال حاضر تنها نیمه هادی دو بعدی است که تمام ویژگی های لازم برای استفاده در نانوالکترونیک را دارد و خواص الکتریکی آن بسیار برتر از سایر نیمه هادی های دو بعدی است که در حال حاضر در حال توسعه هستند.
ما گفت: «یک مشکل دیرینه در الکترونیک گرافن این است که گرافن شکاف باند مناسبی ندارد و نمی‌توان آن را با نسبت مناسب روشن و خاموش کرد. «در طول سال‌ها، بسیاری سعی کرده‌اند با روش‌های مختلف با این موضوع مقابله کنند. فناوری ما به باند عبور دست می یابد و گامی مهم در تحقق الکترونیک مبتنی بر گرافن است.
من جلو می روم
گرافن اپیتاکسیال می‌تواند باعث تغییر پارادایم در الکترونیک شود و فناوری‌های کاملاً جدیدی را که از ویژگی‌های منحصر به فرد آن بهره می‌برند، فعال کند. این ماده اجازه می دهد تا از خواص موج مکانیکی کوانتومی الکترون ها استفاده شود، که یک نیاز برای محاسبات کوانتومی است.
دی هیر گفت: “انگیزه ما برای انجام الکترونیک گرافن برای مدت طولانی وجود داشته است و بقیه فقط در حال تحقق آن بودند.” ما باید یاد می گرفتیم که چگونه با مواد رفتار کنیم، چگونه آن را بهتر و بهتر کنیم، و در نهایت چگونه خواص را اندازه گیری کنیم. خیلی خیلی طول کشید.»
به گفته دی هیر، دیدن نسل دیگری از الکترونیک در راه غیرعادی نیست. قبل از سیلیکون لوله های خلاء وجود داشت و قبل از آن سیم و تلگراف وجود داشت. سیلیکون یکی از چندین قدم در تاریخ الکترونیک است و قدم بعدی می تواند گرافن باشد.
دی هیر گفت: «این برای من مانند یک لحظه برادران رایت است. آنها هواپیمایی ساختند که می توانست 300 فوت در هوا پرواز کند. اما بدبینان پرسیدند که چرا جهان به پرواز نیاز دارد، در حالی که قطارها و قایق های پرسرعت وجود دارند؟ اما آنها استقامت کردند و این آغاز فناوری بود که می توانست انسان ها را از اقیانوس ها عبور دهد.
نقل قول: ژائو، جی. و همکاران. گرافن اپیتاکسیال نیمه هادی با تحرک فوق العاده بالا بر روی کاربید سیلیکون. طبیعت (2024).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06811-0
متصل
مطالب موجود در این بیانیه مطبوعاتی از سازمان تحقیقاتی اصلی آمده است. محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود. من بیشتر می خواهم؟ برای ایمیل روزانه ما ثبت نام کنید.
