Bilde skapt med et atomkraftmikroskop av de grafénkledde grøftene som gir karbonmaterialet et betydelig båndgap. (Bilde: Georgia Tech)

Bøyd grafén er halvledende

Åpner for helt karbonbasert elektronikk.

Det karbonbaserte materialet grafén har mange svært gode egenskaper, inkludert svært gode evne til å lede elektrisitet. Dette har ført til ideen om å bruke materialet i elektroniske kretser. Men til nå har forskere ikke greid å lage gode nok transistorer av grafén fordi det er vanskelig å gjøre materialet skikkelig halvledende.

Blant de viktigste egenskapene til transistorer er muligheten til å fungere som en elektronisk styrt bryter for strøm som går gjennom transistoren. I transistoren brukes et materiale som normalt fungerer som en isolator, men som leder strøm dersom materialet varmes opp ved at det utsettes for tilstrekkelig ytre spenning.

Lederevnen til faste materialer er knyttet til et mål som kalles for båndgap. Dette målet beskriver energien som må til for å få ett av de ytre elektronene som kretser rundt en atomkjerne til å bli en mobil ladningsbærer som kan bevege seg fritt i den faste materialet. Isolatorer har svært stort båndgap, ledere har lite eller intet båndgap, mens båndgapet til halvledere er et sted midt i mellom. Flere detaljer om båndgap finnes i denne Wikipedia-artikkelen.

Grafén har i utgangspunktet ikke noe båndgap, noe som er nødvendig for at materialet skal kunne brukes til å lage transistorer. Ved hjelp av ulike teknikker har forskere greid å utvikle et båndgap hos grafén, men dette båndgapet har så langt vært svært lite. Nå kan det se ut som man har greid å løse dette problemet også.

Forskere ved Georgia Institute of Technology i Atlanta, USA (Gatech) og ved SOLEIL-synkrotronen i Frankrike har nemlig for første gang greid gi grafén et båndgap – 0,5 elektronvolt, noe som skal være tilstrekkelig for bruk i elektronikk ved romtemperatur.

Dette har forskerne oppnådd ved å legge grafén-nanobånd over en «grøftet» overflate av silisiumkarbid (SiC). Grøftene er parallelle og omtrent 20 nanometer dype.

Forskerne er ikke sikre på hvorfor grafén-nanotrådene blir halvledende når de bøyes for å komme ned i grøftene, men tror at det blant annet kan skyldes spenningen som oppstår i materialet når det bøyes.

Illustrasjonen viser hvordan man kan måle båndgapet til grafén-nanobånd som dekker overflaten til grøfter i silisiumkarbid.
Illustrasjonen viser hvordan man kan måle båndgapet til grafén-nanobånd som dekker overflaten til grøfter i silisiumkarbid. Bilde: Georgia Tech

Nanobåndene består av to lag med grafén og er bare 1,4 nanometer brede. På hver side av de halvledende seksjonene av grafénen, beholder nanobåndene sine metalliske egenskaper.

– Vi kan lage tusenvis av disse grøftene, og vi kan lage dem hvor vi vil på waferen, sier Edward Conrad, professor ved Gatechs School of Physics, i en pressemelding.

– Materialet er halvledende i bøyningene, og det er koblet til grafén kontinuerlig på begge sider. Det er i praksis en Schottky-barrierekobling, sier Conrad.

Ved å få legge grafén ned på den ene siden av grøften og opp på den andre siden, kan forskerne i teorien produsere to sammenkoblende Schottky-barrierer, noe som beskrives som en grunnleggende komponent i halvlederenheter. Conrad og forskerkollegene skal nå forsøke å fremstille transistorer basert på den nevnte oppdagelsen.

Ved Gatech skal det også forskes på hva som forårsaker båndgapet og hvordan dette kan kontrolleres. Det kan være at vinkelen nanobåndet er bøyd i har betydning for størrelsen på båndgapet. Dette kan i så pass kontrolleres ved å endre dybden på grøften.

Forskerne håper at oppdagelsen også vil føre til ny aktivitet i andre forskningsmiljøer.

– Dersom du kan demonstrere en rask enhet, vil mange mennesker være interessert i dette. Dersom det virker i en stor skala, kan det skape et nisjemarked for høyhastighets elektroniske enheter med høy effekt, avslutter Conrad. En vitenskaplig artikkel om forskningen er publisert i Nature Physics.

Det er altså ikke slik at grafénbaserte transistorer nå er utviklet og klare for å bli brukt i alt fra mobiltelefoner til forsterkere. Langt derifra. Men oppdagelsen må likevel omtales som en viktig milepæl, siden forskere så sent som i fjor sa at grafén den gang var ubrukelig som blant annet CPU-transistorer. Dette fordi de grafénbaserte transistorene på dette tidspunktet ikke lot seg skru helt av.

    Les også:

Til toppen