Uusia vahvoja perusteita grafeenielektroniikalle

Nanoelektroniikan alalla kaivataan materiaalia, joka voisi korvata piin. Grafeeni on vaikuttanut lupaavalta vuosikymmeniä mutta sen potentiaali on matkan varrella horjunut.

Walter de Heer, Georgia Institute of Technologyn professori, on ottanut kriittisen askeleen eteenpäin kehitellessään piin seuraajaa.

De Heer ja hänen työtoverinsa kehittivät uuden grafeeniin perustuvan nanoelektroniikan alustan, joka sopii yhteen nykyelektroniikan valmistuksen kanssa.

Juuri julkaistun tutkimuksensa aikana ryhmä on saattanut löytää myös uuden kvasihiukkasen. Heidän löytönsä voisi johtaa pienempien, nopeampien, tehokkaampien ja kestävämpien tietokonesirujen valmistukseen ja sillä voi olla vaikutuksia kvantti- ja korkean suorituskyvyn laskentaan.

"Alusta lähtien oli selvää, että grafeenia voidaan pienentää paljon enemmän kuin piitä - mahdollistaen paljon pienempiä laitteita, samalla kun ne toimivat suuremmilla nopeuksilla ja tuottaen paljon vähemmän lämpöä de Heer toteaa."

Vuonna 2001 de Heer ehdotti vaihtoehtoista elektroniikan muotoa, joka perustuu epitaksiaaliseen grafeeniin – grafeenikerrokseen, jonka havaittiin muodostuvan spontaanisti piikarbidikiteen pinnalle. Tuolloin tutkijat havaitsivat, että sähkövirrat kulkevat ilman resistanssia epigrafeenin reunoja pitkin ja että grafeenirakenteet voidaan yhdistää saumattomasti toisiinsa ilman metallijohtoja. Tämä yhdistelmä mahdollistaa elektroniikan muodon, joka perustuu grafeenin elektronien ainutlaatuisiin valon kaltaisiin ominaisuuksiin.

"Kvantti-interferenssiä on aikoinaan havaittu hiilinanoputkissa alhaisissa lämpötiloissa ja odotamme samanlaisia vaikutuksia epigrafeeninauhoissa ja -verkkorakenteissa", de Heer kertoo.

Alustan luomiseksi uudelle nanoelektroniikalle tutkijat loivat modifioidun epigrafeenimuodon piikarbidikidealustalle. Tutkijat käyttivät elektronisuihkulitografiaa leikkaamaan grafeenin nanorakenteita ja hitsaamaan niiden reunat piikarbidisiruihin. Tämä prosessi stabiloi ja sulkee mekaanisesti grafeenin reunat, jotka muuten reagoisivat hapen ja muiden kaasujen kanssa, ja saattavat siten häiritä varausten liikettä reunaa pitkin.

Ryhmän grafeenireunatilassa havaitsemat sähkövaraukset olivat samanlaisia kuin optisessa kuidussa olevat fotonit, jotka voivat kulkea pitkiä matkoja siroamatta. Grafeenin reunatilassakin varaukset kulkivat kymmeniä tuhansia nanometrejä pitkin reunaa ennen siroamistaan.

"Reunojen sähkövarauksissa on erityistä, se että ne pysyvät reunalla ja jatkavat matkaa samalla nopeudella, vaikka reunat eivät olisikaan täysin suoria", toteaa professori Claire Berger.

Reunatilassa esiintyy vapaa polku, joka on 5000 kertaa suurempi kuin bulkkitiloissa ja se sisältää teoreettisesti odottamattoman Majoranan kaltaisen nollaenergian rappeutumattoman kvasipartikkelin, joka ei tuota Hall-jännitettä. Kun reunatila ei synnytä Hall-jännitettä, se viittaa siihen, että reunatila on ambipolaarinen yksikanavainen tila, joka kuljettaa virtaa puoliksi elektronin ja puoliksi aukon avulla.

Kyseessä on erittäin epätavallinen kvasihiukkanen, jolla ei ole varausta eikä energiaa mutta joka kuitenkin liikkuu ilman resistanssia. Hybridi-kvasihiukkasten komponenttien havaittiin kulkevan grafeenin reunojen vastakkaisilla puolilla, vaikka ne olivat yksittäisiä objekteja.

Tutkijoiden mukaan erikoiset ominaisuudet viittaavat siihen, että kvasihiukkanen saattaa olla vaikeasti havaittu Majorana-fermion.

"Elektroniikan kehittäminen käyttämällä tätä uutta kvasihiukkasta saumattomasti toisiinsa yhdistetyissä grafeenirakenteissa on pelin muutos. Menee todennäköisesti kuitenkin vielä 5-10 vuotta, ennen kuin meillä on grafeenipohjaista elektroniikkaa, " de Heer päättelee.

Tutkimusraportti: An epitaxial graphene platform for zero-energy edge state nanoelectronics.

Aiheesta aiemmin:

Aaltoilevan grafeenin elektroniikkaa

Grafeenin nanonauhat käyttöön

Grafeeni ja terahertsit