Naukowcy z Manchesteru pod kierownictwem noblistów – prof. Andre Geima oraz prof. Konstantina Novoselova, wkroczyli w trzeci wymiar badań nad grafenem. Przedstawili tranzystor, który może okazać się brakującym ogniwem w badaniach dotyczących zagadnienia grafenu, jako następcy krzemu. Artykuł został opublikowany w bieżącym numerze tygodnika Science.

Grafen – pojedyncza atomowa płaszczyzna węgla – jest niezwykłym materiałem, o nieskończonych i unikalnych właściwościach, od elektronicznych i chemicznych począwszy, na optycznych i mechanicznych kończąc. Jednym z wielu potencjalnych zastosowań grafenu, jest użycie go zamiast krzemu, jako podstawowego materiału do budowy chipów komputerowych. Zastosowanie to zwróciło nań uwagę branżowych potentatów – firm IBM, Samsung, Texas Instruments oraz Intel. Kilka firm na świecie zaprezentowało już pojedyncze tranzystory cechujące się bardzo wysokimi częstotliwościami (do 300 GHz).

Niestety, ze względu na duży wyciek prądu elektrycznego – nawet przy największej izolacji grafenu – tranzystory te nie mogą być gęsto rozłożone w chipie komputerowym. Natężenie topi komponenty w ułamku sekundy. Problem spędza fizykom sen z powiek od 2004 roku, kiedy to naukowcy z Manchesteru opublikowali wyniki swoich badań nad grafenem, zdobywając uznanie noblowskiej kapituły. Mimo ogromu wysiłku, jaki świat nauki od tego czasu włożył w rozpracowanie zagadnienia, nie zdołano przedstawić żadnego rozwiązania. Naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze zasugerowali, by grafen w płaszczyźnie był ułożony wertykalnie, a nie – jak to do tej pory proponowano – horyzontalnie. Wykorzystując grafen jako elektrodę, z której elektrony przepływały przez dialektryk do innego metalu,  stworzyli diodę tunelową. Następnie wykorzystali unikalną cechę grafenu bazującą na tym, że energia elektronów tunelowych, może być znacząco zmieniona  przez napięcie zewnętrzne. W efekcie stworzyli nowy typ urządzenia – ułożony wertykalnie tranzystor tunelowy, bazujący na grafenie.

Sprawujący pieczę nad eksperymentem, dr Leonid Ponomarenko, powiedział: „Dowiedliśmy nowej koncepcji w elektronice grafenowej. Nasze tranzystory działają już całkiem nieźle. Jestem przekonany, że można je udoskonalić jeszcze bardziej, poprzez zmniejszenie do skali nanometrycznej oraz umożliwienie działania na częstotliwościach sub-THz”. „Jest to nowy i jednocześnie przełomowy punkt widzenia w dziedzinie badań nad grafenem. Dzięki temu, perspektywy stworzenia elektroniki grafenowej przedstawiają się niezwykle obiecująco”, dodał prof. Novoselov.

Samo użycie grafenu – bez pomocy innych materiałów o grubości zaledwie jednego atomu lub jednej cząsteczki – nie przyniosłoby upragnionych efektów.

Dlatego też naukowcy z Manchesteru podczas tworzenia tranzystorów, łączyli grafen z płaszczyznami atomowymi azotku boru oraz dwusiarczku molibdenu. Tranzystory były łączone warstwa po warstwie w określonej kolejności, wyglądem przypominając przekładaniec – z tą różnicą, że w skali atomowej. Warstwowe nadstruktury takie jak te, nie tworzą się samoistnie – są całkowicie nową koncepcją, przedstawioną przez badaczy z Manchesteru. Montaż elementów w skali atomowej daje wiele możliwości, bez których stworzenie tranzystorów tunelowych nie byłoby możliwe.

„Zaprezentowany tranzystor jest ważny, lecz o wiele większe znaczenie ma sama koncepcja stworzenia warstwy atomowej”, zaznaczył prof. Geim. Prof. Novoselov dodał, że „Tranzystor tunelowy jest tylko jednym z przykładów, ukazujących nieskończone możliwości łączenia struktur i tworzenia nowatorskich urządzeń, dzięki montażowi w skali atomowej”.

„Koncepcja ta oferuje nieskończoną ilość zastosowań, zarówno w fizyce, jak i w innych dziedzinach (diody elektroluminescencyjne czy też urządzenia fotowoltaiczne)”.

Źródło: http://www.manchester.ac.uk/