למוליך למחצה מבוסס גרפן יש פער שימושי וניידות אלקטרונים גבוהה - Physics World

חוקרים בסין ובארה"ב יצרו מוליך למחצה פונקציונלי העשוי מגרפן, הישג שהם מתארים כראשון. על ידי הרחבה על טכניקות ייצור קיימות, וולטר דה הייר ועמיתים מאוניברסיטת טיאנג'ין והמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה יצרו רווח פס בחומר הדו-ממדי, תוך שמירה על המאפיינים החזקים והניתנים להתאמה בקלות של הגרפן.

סיליקון הוא עמוד השדרה של האלקטרוניקה המודרנית של מוליכים למחצה. עם זאת, הטכנולוגיות העדכניות ביותר המבוססות על סיליקון נמתחות לגבולותיהן על ידי הדרישה הבלתי פוסקת שלנו למהירויות מחשוב גבוהות יותר, צריכת חשמל נמוכה יותר והתקנים קומפקטיים יותר.

כבר שני עשורים, חוקרים בחנו את האפשרות שגרפן יכול לספק חלופה מעשית לסיליקון. מבודד לראשונה בשנת 2004, גרפן הוא יריעת פחמן בעובי של אטום אחד בלבד. מאז, חוקרים גילו שלגרפן יש מספר תכונות שיכולות להפוך אותו לשימושי מאוד עבור מכשירים אלקטרוניים. אלה כוללים ניידות אלקטרונית גבוהה; מבנה חזק, קל משקל וקומפקטי במיוחד; ופיזור חום מעולה.

חיסרון אחד גדול

עם זאת, לגרפן יש חסרון אחד מרכזי. שלא כמו מוליכים למחצה קונבנציונליים, לגרפן אין פער אלקטרונים מהותי. זהו מחסום אנרגיה שעל האלקטרונים להתגבר עליו כדי להוליך חשמל. זהו ה-bandgap שמאפשר לייצר מתגים אלקטרוניים (טרנזיסטורים) ממוליכים למחצה.

"בעיה ארוכת שנים באלקטרוניקה של גרפן היא שלגרפן לא היה הפער הנכון, והוא לא יכול היה להדליק ולכבות ביחס הנכון", מסביר מחבר שותף ליי מא, שהיה שותף להקמת המרכז הבינלאומי של טיאנג'ין לננו-חלקיקים וננו-מערכות עם דה Heer. "במהלך השנים, רבים ניסו לטפל בזה במגוון שיטות".

מחקרים קודמים ניסו להנדס פערים מתאימים באמצעות טכניקות כמו כליאה קוונטית ושינוי כימי של גרפן טהור. אולם עד כה, גישות אלו הביאו להצלחה מועטה ביותר.

"היינו צריכים ללמוד איך לטפל ב[גרפן], איך לעשות את זה טוב יותר ויותר, ולבסוף איך למדוד את התכונות שלו", מסביר דה הייר. "זה לקח הרבה מאוד זמן."

צמיחה ספונטנית

במחקר האחרון שלהם, החוקרים הראו לראשונה כיצד המוליך למחצה "אפיגרפן" יכול לצמוח באופן ספונטני על פני השטח של גבישי סיליקון קרביד.

מחקרים קודמים גילו שבטמפרטורות גבוהות, הסיליקון עובר סובלימציה מפני השטח של הגבישים הללו, ומשאיר אחריו שכבות עשירות בפחמן. שכבות אלו מתגבשות מחדש לאפיגרפן רב-שכבתי, בעל תכונות מוליכות למחצה מוגבלות.

בהרחבת טכניקה זו, הצוות של דה Heer ו-Ma פיתחו שיטת חישול חדשה, שבה הם שלטו בקפידה את טמפרטורת הדגימה ואת קצב היווצרות האפיגרפן. הם יצרו שכבת גרפן חזקה שצומחת בטרסות מקרוסקופיות ושטוחות מבחינה אטומית. מה שכן, אטומי הגרפן מיושרים עם הסריג של מצע הסיליקון קרביד.

פס שימושי

על ידי ביצוע מדידות קפדניות, הצוות הראה שהשכבה הזו היא מוליך למחצה דו-ממדי מצוין. יש לו את הפער השימושי שחמק מחוקרים במשך עשרות שנים, יחד עם ניידות אלקטרונית גבוהה.

סרטי גרפן מקדמים טוויסטרוניקה

"יש לנו כעת מוליך למחצה גרפן חזק במיוחד עם ניידות פי 10 מסיליקון, ושיש לו גם תכונות ייחודיות שאינן זמינות בסיליקון", מתלהב דה Heer. הוא משווה את ניידות האלקטרונים בסיליקון לנסיעה על כביש חצץ, בעוד שהאפיגרפן הוא כמו כביש מהיר של אלקטרונים. "זה יעיל יותר, זה לא מתחמם כל כך, וזה מאפשר מהירויות גבוהות יותר כך שהאלקטרונים יכולים לנוע מהר יותר", מסביר דה Heer.

בנוסף לביצועים אלה, הצוות גם הראה שניתן לסמם את האפיגרפן שלהם במגוון רחב של אטומים ומולקולות כדי לכוונן את התכונות האלקטרוניות והמגנטיות שלו. החומר יכול גם להיות ננו-דפוס כדי לשפר עוד יותר את הביצועים שלו - ננו-דפוס קשה מאוד לעשות עם גרפן שגדל על מצעים אחרים.

De Heer, Ma ועמיתיהם מקווים שהטכניקה שלהם תוכל לסלול את הדרך לגישה חדשה לחלוטין לייצור מוליכים למחצה, ועשויה בסופו של דבר להיות צעד ראשון ומכריע לקראת דור חדש של אלקטרוניקה מבוססת גרפן.

המחקר מתואר ב טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/graphene-based-semiconductor-has-a-useful-bandgap-and-high-electron-mobility/