מוליך למחצה פונקציונלי עשוי גרפן

פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות


חוקרים במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה יצרו את המוליך למחצה הפונקציונלי הראשון בעולם העשוי מגרפן, יריעה אחת של אטומי פחמן המוחזקים יחדיו על ידי הקשרים החזקים ביותר הידועים. מוליכים למחצה, שהם חומרים המוליכים חשמל בתנאים ספציפיים, הם מרכיבי היסוד של מכשירים אלקטרוניים. פריצת הדרך של הצוות פותחת את הדלת לדרך חדשה לעשות אלקטרוניקה.

פרסומת

הגילוי שלהם מגיע בזמן שבו הסיליקון, החומר ממנו עשויים כמעט כל האלקטרוניקה המודרנית, מגיע לקצה גבול היכולת שלו מול מחשוב מהיר יותר ויותר והתקנים אלקטרוניים קטנים יותר. וולטר דה הייר, פרופסור של יורש העצר לפיזיקה בג'ורג'יה טק, הוביל צוות חוקרים שבסיסו באטלנטה, ג'ורג'יה וטיאנג'ין, סין, לייצר מוליך למחצה גרפן התואם לשיטות עיבוד מיקרו-אלקטרוניקה קונבנציונליות – הכרח לכל חלופה בת-קיימא לסיליקון.

במחקר האחרון הזה, שפורסם ב טֶבַע, דה Heer וצוותו התגברו על המשוכה העליונה שפוקדת את מחקר הגרפן במשך עשרות שנים, והסיבה לכך שרבים חשבו שהאלקטרוניקה של גרפן לעולם לא תעבוד. המכונה "פער הלהקה", הוא תכונה אלקטרונית חיונית המאפשרת למוליכים למחצה להידלק ולכבות. לגרפן לא היה פער להקה – עד עכשיו.

"יש לנו כעת מוליך למחצה גרפן חזק במיוחד עם ניידות פי 10 מסיליקון, ושיש לו גם תכונות ייחודיות שאינן זמינות בסיליקון", אמר דה Heer. "אבל הסיפור של העבודה שלנו ב-10 השנים האחרונות היה, 'האם נוכל לגרום לחומר הזה להיות מספיק טוב כדי לעבוד?'".

סוג חדש של מוליכים למחצה

דה Heer התחיל לחקור חומרים מבוססי פחמן כמוליכים למחצה פוטנציאליים בתחילת הקריירה שלו, ולאחר מכן עשה את המעבר לחקר גרפן דו מימדי בשנת 2001. הוא ידע אז שלגרפן יש פוטנציאל לאלקטרוניקה.

"הניענו אותנו מהתקווה להכניס שלוש תכונות מיוחדות של גרפן לאלקטרוניקה", אמר. "זהו חומר חזק במיוחד, כזה שיכול להתמודד עם זרמים גדולים מאוד, ויכול לעשות זאת מבלי להתחמם ולהתפרק".

דה Heer השיג פריצת דרך כאשר הוא וצוותו הבינו כיצד לגדל גרפן על פרוסות סיליקון קרביד באמצעות תנורים מיוחדים. הם ייצרו גרפן אפיטקסיאלי, שהוא שכבה אחת שצומחת על פני גביש של סיליקון קרביד. הצוות מצא שכאשר הוא יוצר כראוי, הגרפן האפיטקסיאלי נקשר כימית לסיליקון קרביד והתחיל להראות תכונות מוליכות למחצה.

במהלך העשור הבא, הם המשיכו לשכלל את החומר בג'ורג'יה טק ומאוחר יותר בשיתוף פעולה עם עמיתים במרכז הבינלאומי של טיאנג'ין לננו-חלקיקים וננו-מערכות באוניברסיטת טיאנג'ין בסין. דה Heer הקים את המרכז ב-2014 עם ליי מא, מנהל המרכז ומחבר שותף של העיתון.

איך הם עשו את זה

בצורתו הטבעית, הגרפן אינו מוליך למחצה ולא מתכת, אלא מתכת למחצה. פער פס הוא חומר שניתן להפעיל ולכבות כאשר מופעל עליו שדה חשמלי, וכך פועלים כל הטרנזיסטורים ואלקטרוניקת הסיליקון. השאלה העיקרית במחקר האלקטרוניקה של גרפן הייתה כיצד להדליק ולכבות אותו כך שהוא יכול לעבוד כמו סיליקון.

אבל כדי ליצור טרנזיסטור פונקציונלי, יש לבצע מניפולציה רבה בחומר מוליך למחצה, מה שעלול לפגוע בתכונותיו. כדי להוכיח שהפלטפורמה שלהם יכולה לתפקד כמוליך למחצה בר-קיימא, הצוות היה צריך למדוד את המאפיינים האלקטרוניים שלו מבלי לפגוע בו.

הם שמו אטומים על הגרפן ש"תורמים" אלקטרונים למערכת – טכניקה שנקראת סימום, המשמשת כדי לראות אם החומר הוא מוליך טוב. זה עבד מבלי לפגוע בחומר או בתכונותיו.

המדידות של הצוות הראו שלמוליכים למחצה הגרפן שלהם יש ניידות גדולה פי 10 מסיליקון. במילים אחרות, האלקטרונים נעים בהתנגדות נמוכה מאוד, מה שמתורגם, באלקטרוניקה, למיחשוב מהיר יותר. "זה כמו נהיגה על כביש כורכר לעומת נסיעה בכביש מהיר", אמר דה הייר. "זה יותר יעיל, זה לא מתחמם כל כך, וזה מאפשר מהירויות גבוהות יותר כדי שהאלקטרונים יוכלו לנוע מהר יותר".

המוצר של הצוות הוא כיום המוליך למחצה הדו-ממדי היחיד שיש לו את כל התכונות הנחוצות לשימוש בננו-אלקטרוניקה, והתכונות החשמליות שלו עדיפות בהרבה על כל מוליכים למחצה דו-ממדיים אחרים שנמצאים כעת בפיתוח.

"בעיה ארוכת שנים באלקטרוניקה של גרפן היא שלגרפן לא היה פער פס מתאים ולא יכול היה להדליק ולכבות ביחס הנכון", אמר מא. "לאורך השנים, רבים ניסו לטפל בזה במגוון שיטות. הטכנולוגיה שלנו משיגה את פער הלהקה, ומהווה צעד מכריע במימוש אלקטרוניקה מבוססת גרפן".

נעים קדימה

גרפן אפיטקסיאלי עלול לגרום לשינוי פרדיגמה בתחום האלקטרוניקה ולאפשר טכנולוגיות חדשות לחלוטין המנצלות את תכונותיו הייחודיות. החומר מאפשר לנצל את תכונות הגלים המכאניות הקוונטיות של אלקטרונים, שהיא דרישה למחשוב קוונטי.

"המוטיבציה שלנו לעשות גרפן אלקטרוניקה הייתה שם כבר הרבה זמן, והשאר פשוט גרם לזה לקרות", אמר דה הייר. "היינו צריכים ללמוד איך לטפל בחומר, איך לעשות אותו טוב יותר ויותר, ולבסוף איך למדוד את התכונות. זה לקח הרבה מאוד זמן".

לדברי דה Heer, זה לא יוצא דופן לראות עוד דור של אלקטרוניקה בדרכו. לפני הסיליקון היו צינורות ואקום, ולפני כן היו חוטים וטלגרפים. סיליקון הוא אחד משלבים רבים בהיסטוריה של האלקטרוניקה, והשלב הבא יכול להיות גרפן.

"בעיני, זה כמו רגע של האחים רייט", אמר דה הייר. "הם בנו מטוס שיכול לטוס 300 רגל באוויר. אבל הספקנים שאלו למה העולם יזדקק לטיסה כשכבר יש לו רכבות מהירות וסירות. אבל הם התמידו, וזו הייתה תחילתה של טכנולוגיה שיכולה להעביר אנשים מעבר אוקיינוסים."



קישור לכתבת המקור – 2024-01-03 20:10:30

Facebook
Twitter
LinkedIn
Telegram
WhatsApp
Email
פרסומת
X-ray_Promo1

עוד מתחומי האתר