Semiconductorul pe bază de grafen are un bandgap util și o mobilitate ridicată a electronilor – Physics World

Cercetătorii din China și SUA au creat un semiconductor funcțional fabricat din grafen, o ispravă pe care o descriu ca fiind o premieră. Prin extinderea tehnicilor de fabricație existente, Walter de Heer și colegii de la Universitatea Tianjin și Institutul de Tehnologie din Georgia au creat o dezvoltare a unui bandgap în materialul 2D, păstrând în același timp proprietățile robuste și ușor de reglat ale grafenului.

Siliciul este coloana vertebrală a electronicii semiconductoare moderne. Cu toate acestea, cele mai recente tehnologii pe bază de siliciu sunt întinse la limitele lor de cererea noastră neobosită pentru viteze de calcul mai mari, consum mai mic de energie și dispozitive mai compacte.

De două decenii, cercetătorii au explorat posibilitatea ca grafenul să ofere o alternativă practică la siliciu. Izolat pentru prima dată în 2004, grafenul este o foaie de carbon grosime de doar un atom. De atunci, cercetătorii au descoperit că grafenul are o serie de proprietăți care l-ar putea face foarte util pentru dispozitivele electronice. Acestea includ mobilitatea mare a electronilor; o structură puternică, ușoară, foarte compactă; și disipare excelentă a căldurii.

Un dezavantaj major

Cu toate acestea, grafenul are un dezavantaj major. Spre deosebire de semiconductorii convenționali, grafenul nu are o bandă interzisă intrinsecă a electronilor. Aceasta este o barieră energetică pe care electronii trebuie să o depășească pentru a conduce electricitatea. Este bandgap-ul care permite ca comutatoarele electronice (tranzistoarele) să fie realizate din semiconductori.

„O problemă de lungă durată în electronica grafenului este că grafenul nu avea banda interzisă potrivită și nu se putea porni și opri în raportul corect”, explică co-autorul Lei Ma, care a fondat grupul. Centrul Internațional Tianjin pentru Nanoparticule și Nanosisteme cu de Heer. „De-a lungul anilor, mulți au încercat să abordeze acest lucru cu o varietate de metode.”

Studiile anterioare au încercat să creeze benzi interzise adecvate folosind tehnici precum confinarea cuantică și modificarea chimică a grafenului pur. Până acum, însă, aceste abordări au avut ca rezultat foarte puțin succes.

„A trebuit să învățăm cum să tratăm [grafenul], cum să-l facem din ce în ce mai bun și, în sfârșit, cum să îi măsurăm proprietățile”, explică de Heer. „A durat foarte, foarte mult timp.”

Creștere spontană

În cele mai recente cercetări, cercetătorii au arătat pentru prima dată cum „epigrafenul” semiconductorul bandgap poate crește spontan pe suprafețele cristalelor de carbură de siliciu.

Cercetările anterioare au arătat că la temperaturi ridicate, siliciul se sublimează de pe suprafețele acestor cristale, lăsând în urmă straturi bogate în carbon. Aceste straturi se recristalizează în epigrafen multistrat, care are proprietăți semiconductoare limitate.

Extinderea acestei tehnici, de Heer și echipa lui Ma au dezvoltat o nouă metodă de recoacere, în care au controlat cu atenție temperatura probei și rata de formare a epigrafenului. Ei au creat un strat robust de grafen care crește pe terase macroscopice, atomice plate. În plus, atomii de grafen sunt aliniați cu rețeaua substratului de carbură de siliciu.

Bandgap util

Făcând măsurători atente, echipa a arătat că acest strat este un semiconductor 2D excelent. Are banda interzisă utilă care a ocolit cercetătorii de zeci de ani, împreună cu mobilitatea ridicată a electronilor.

Panglicile de grafen avansează twistronics

„Avem acum un semiconductor de grafen extrem de robust, cu o mobilitate de 10 ori mai mare decât siliciul și care are, de asemenea, proprietăți unice care nu sunt disponibile în siliciu”, se bucură de Heer. El compară mobilitatea electronilor în siliciu cu conducerea pe un drum cu pietriș, în timp ce epigrafena este ca o autostradă de electroni. „Este mai eficient, nu se încălzește atât de mult și permite viteze mai mari, astfel încât electronii să se poată mișca mai repede”, explică de Heer.

Pe lângă această performanță, echipa a mai arătat că epigrafena lor poate fi dopată cu o gamă largă de atomi și molecule pentru a-și regla fin proprietățile electronice și magnetice. Materialul poate fi, de asemenea, nanomodelat pentru a-și îmbunătăți și mai mult performanța – nanomodelul este foarte dificil de realizat cu grafenul crescut pe alte substraturi.

De Heer, Ma și colegii lor speră că tehnica lor ar putea deschide calea pentru o abordare complet nouă a producției de semiconductori și ar putea fi în cele din urmă un prim pas crucial către o nouă generație de electronice pe bază de grafen.

Cercetarea este descrisă în Natură.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/graphene-based-semiconductor-has-a-useful-bandgap-and-high-electron-mobility/