211service.com
Betere grafeentransistoren
IBM-onderzoekers hebben een manier ontdekt om de prestaties van transistors die zijn gemaakt van platen van het tweedimensionale koolstofmateriaal grafeen enorm te verbeteren: ze stapelen ze op. Door twee lagen grafeen op elkaar te leggen, ontdekten ze dat ze de elektrische ruis van het apparaat met een factor 10 kunnen verminderen.
Dubbeldekker: IBM-onderzoekers hebben ontdekt dat ze de ruis in grafeenapparaten aanzienlijk kunnen verminderen door twee lagen op elkaar te stapelen. Hier wordt de ruis van een enkele laag grafeen (links) vergeleken met die van twee lagen (rechts).
De bevindingen kunnen helpen bij het realiseren van op grafeen gebaseerde chips die sneller werken, compacter zijn en minder stroom verbruiken dan de huidige siliciumchips, zegt Yu-Ming Lin , een wetenschapper aan de IBM T.J. Watson Research Center , in Yorktown Heights, NY. IBM-onderzoekers onderzoeken ook andere veelbelovende opvolgers van silicium, zoals grafeenachtige koolstofnanobuisjes. Grafeen, dat volledig is gemaakt van koolstofatomen die zijn gerangschikt in een honingraatstructuur van één atoom dik, heeft een aantal eigenschappen die het aantrekkelijk maken voor elektronica, met name voor transistors die radiofrequentiesignalen produceren. Maar transistors die van het materiaal zijn gemaakt, worden geplaagd door ruis, waardoor de signalen die ze produceren niet ideaal zijn voor communicatie. De ontdekking van de onderzoekers zou grafeentransistors praktisch kunnen maken.
De halfgeleiderindustrie is zeer uitgebreid op zoek naar nieuwe materialen die beter kunnen presteren dan silicium, zegt Lin. Grafeen is een uitstekende kandidaat, zegt hij, want voor een bepaalde spanning kan grafeen een veel hogere stroom voeren, omdat de elektronen gewoon sneller bewegen in het grafeen dan in silicium.
Deze verbeterde elektronenmobiliteit, meestal overal 50 tot 500 keer sneller dan silicium, maakt het mogelijk om meer informatie te verwerken met minder stroom, waardoor extreem hoge schakelsnelheden mogelijk zijn. Grafeen kan mogelijk ook worden gesneden in formaten die veel kleiner zijn dan die van silicium, waardoor compactere transistors en chips mogelijk worden.
Maar er is een serieuze uitdaging om kleine, praktische apparaten van grafeen te maken, zegt Pablo Jarillo-Herrero , een grafeenonderzoeker aan het MIT. Een van de grootste problemen naarmate apparaten kleiner en kleiner worden, is dat het geluid steeds groter wordt, zegt hij. Dit komt doordat de minuscule stroompjes die door de apparaten sijpelen steeds gevoeliger worden voor omgevingsinvloeden. Zo kunnen geladen deeltjes in het substraat nabij het apparaat invloed uitoefenen op de stroom die door het grafeen vloeit. Dit kan fungeren als een barrière voor de stroom, waardoor het het geproduceerde signaal afbuigt en vervormt.
Maar Lin, samen met zijn collega Phaedon Avoris , ontdekte dat het plaatsen van twee lagen grafeen, de ene op de andere, de onverwachte eigenschap heeft om dit probleem aanzienlijk te verminderen. De resultaten zijn gepubliceerd in het laatste nummer van het tijdschrift Nano-letters .
Lin maakt de grafeenlagen met behulp van een veel voorkomende en verrassend low-tech benadering, bekend als mechanische exfoliatie. We nemen een stukje plakband en trekken een laag van een stuk grafiet af, zegt Lin. De structuur van grafiet is in wezen hetzelfde als die van een grote stapel grafeen, en de koolstofatomen hebben de natuurlijke neiging om in deze lagen te willen blijven. Dus normaal gesproken herhalen we het proces totdat we uiteindelijk een enkele laag hebben, zegt hij.
Wanneer geplaatst tussen twee elektroden op een oxidesubstraat, vormt deze opstelling een veldeffecttransistor, de basisbouwsteen van chips. Dezelfde benadering wordt gebruikt met de tweelaagse transistor, alleen wordt het exfoliatieproces iets korter, waarbij het uiteindelijke aantal lagen grafeen wordt bepaald met behulp van atoomkrachtmicroscopie. Beide lagen behouden hun gewenste hoge elektronenmobiliteitseigenschappen. Maar nu worden de stromen die door beide lagen lopen, aan elkaar gekoppeld, zodat elk elektron gepaard gaat met een positieve lading, waardoor het effectief op koers blijft, zegt Lin. Het paar weerstaat wordt afgebogen door willekeurige positieve en negatieve ladingen in de materialen.
Hoewel het verminderen van de ruis in grafeentransistors een belangrijke stap is, moeten andere obstakels, zoals het vinden van manieren om hoogwaardige grafeentransistors in grote aantallen te maken, worden overwonnen voordat dergelijke apparaten klaar zijn voor commercialisering.