Transistoreita kaksiulotteisesta piistä

University of Texas at Austinin tutkijat ovat luoneet ensimmäiset transistorit siliseenistä eli maailman ohuimmasta piimateriaalista. Vielä muutama vuosi sitten siliseeni oli puhtaasti teoreettinen materiaali.

Yhden atomikerroksen paksuisella siliseenillä on erinomaiset sähköis-elektroniset ominaisuudet, mutta tähän asti se on osoittautunut vaikeaksi tuottaa ja työstää.

Apulaisprofessori Deji Akinwande ryhmineen ja johtava tutkija Li Tao ratkaisivat yhden suurimmista siliseeniä ympäröineistä haasteista osoittamalla, että siitä voidaan tehdä transistoreita.

Kyseessä on pitkäaikainen siruteollisuuden unelma, joka voisi tasoittaa tietä tuleville nopeampien ja energiatehokkaimpien sirujen sukupolville. Puolijohdemainen siliseeni olisi piiteollisuudelle tutumpi materiaali kuin muut kaksiulotteiset materiaalit.

Merkittävintä tässä läpimurrossa on matalassa lämpötilassa tapahtuva siliseenin valmistus sekä siihen perustuvien piirirakenteiden valmistus ensimmäistä kertaa. Siliseenin käyttöönoton vaikeutena on ollut sen herkkyys ilmalle.

Akinwanden ryhmä italialaisen Alessandro Mollen kanssa kehittivät valmistusmenetelmän, jossa piiatomien kuuma höyry tiivistyy hopeiselle kidelohkolle tyhjiössä.

Näin muodostuneen siliseenin päälle lisättiin kerros suojaavaa alumiinioksidia. Sen ansiosta yhdistelmä saatettiin turvallisesti irrottaa alustaltaan ja siirtää hopeapuoli ylöspäin hapettuneelle piisubstraatille. Sitten osa hopeasta kaavittiin pois, jolloin jäljelle jäi kaksi metallikohtiota elektrodeiksi, joiden välissä on kaistale siliseeniä.

Tämä lähestymistapa on tutkijoiden mukaan sovellettavissa muihinkin ilmalle herkkiin kaksiulotteisiin materiaaleihin kuten germaneeniin ja fosforeeniin.

Toteutettu siliseeninen kanavatransistori vahvistaa teoreettisia odotuksia sen ambipolaarisesta Dirac varaussiirrosta, jolle mitattu huoneen lämpötilassa liikkuvuutta noin 100 cm2 /V-s. Piin elektroneilla ja aukoilla se on tyypillisesti 1400 ja 450 cm2 /V-s.

Tieteellisesti yksikerroksisesta siliseenistä on ennustettu löytyvän myös kvanttispin Hall, kiraalinen suprajohtavuus, jättimäinen magnetoresistanssi sekä erilaisia eksoottisia kenttäriippuvaisten tiloja.