Hiili tehostaa 2D-elektroniikkaa

Illinoisin Urbana-Champaign yliopiston, National Energy Technology Laboratoryn, Oak Ridge National Laboratoryn ja Taiwan Semiconductor Manufacturing Companyn yhteinen tutkimus on osoittanut, kuinka kivihiilellä voi olla tärkeä rooli seuraavan sukupolven elektronisissa laitteissa.

"Hiiliä pidetään yleensä kookkaana ja likaisena, mutta kehittämämme prosessointitekniikat voivat muuttaa sen erittäin puhtaiksi materiaaleiksi, jotka ovat vain muutaman atomin paksuisia", sanoo Qing Cao, U. of I. -yliopiston materiaalitieteen ja -tekniikan professori.

NETL:n kehittämä prosessi muuntaa ensin hiilihiilen nanomittakaavan hiililevyiksi, joita kutsutaan "hiilipisteiksi", ja tutkimusryhmä osoitti, että ne voidaan yhdistää muodostamaan atomisesti ohuita kalvoja sovelluksiin sekä kaksiulotteisissa transistoreissa että memristoreissa.

Vaikka ultraohuita puolijohteita on tutkittu laajasti, tarvitaan myös atomisesti ohuita eristeitä.

Atominohuet hiilikerrokset, joissa on epäjärjestynyt atomirakenne, voivat toimia erinomaisena eristeenä kaksiulotteisten piirien rakentamisessa. Yhteistyössä tutkijat ovat osoittaneet, että tällaisiahiilikerroksia voidaan muodostaa kivihiilestä peräisin olevista hiilipisteistä.

Caon ryhmä käytti hiilestä saatuja hiilikerroksia hilaeristeenä kaksiulotteisissa transistoreissa, jotka rakennettiin puolimetalligrafeenin tai molybdeenidisulfidin puolijohteeseen mahdollistaakseen yli kaksi kertaa nopeamman piirin toimintanopeuden pienemmällä energiankulutuksella.

Kuten muissakin atomiohuissa materiaaleissa, hiilestä johdetuissa hiilikerroksissa ei ole "roikkuvia sidoksia" tai elektroneja, jotka eivät liity kemialliseen sidokseen. Nämä paikat, joita on runsaasti perinteisten kolmiulotteisten eristeiden pinnalla, muuttavat niiden sähköisiä ominaisuuksia toimimalla tehokkaasti "ansoina", hidastaen liikkuvien varausten kuljetusta ja siten transistorin kytkentänopeutta.

Toisin kuin muut atomiohuet materiaalit, uudet hiiliperäiset hiilikerrokset ovat amorfisia, mikä tarkoittaa, että niillä ei ole säännöllistä, kiteistä rakennetta. Siksi niillä ei ole rajoja eri kidealueiden välillä, jotka toimivat johtavuusreitteinä, jotka johtavat "vuotoon", jossa ei-toivotut sähkövirrat kulkevat eristeen läpi ja aiheuttavat huomattavaa lisävirrankulutusta laitteen toiminnan aikana.

Toinen Caon harkitsema sovellus on memristorit. Tutkijat havaitsivat, että ultraohuiden hiilikerrosten käyttö eristeenä mahdollistaa tällaisen filamentin nopean muodostumisen alhaisella energiankulutuksella, mikä mahdollistaa sen suuren toimintanopeuden pienellä tehonkäytöllä.

Cao-ryhmän kehittämät uudet laitteet tarjoavat periaatteellisen todisteen hiiliperäisten kerrosten käytöstä kaksiulotteisissa laitteissa. Vielä jää osoitettavaksi, että tällaisialaitteita voidaan valmistaa suuressa mittakaavassa.

Aiheesta aiemmin:

Hiiliseostus muuttaa puolijohtavaa 2D-materiaalia

Hiili-ilma vaihtoehto vetytekniikalle