Kaksiulotteiset tuovat vallankumouksen

Kaksiulotteiset materiaalit kuten grafeeni, ovat olleet intensiivisen tutkimuksen kohteena jo vuosikymmenen verran. Nyt niistä ja niiden yhdistelmistä on syntymässä elektroniikkaa vahvasti muokkaavia tekijöitä.

Manchesterin ja Nottinghamin yliopistojen tutkijat ovat luoneet aivan uuden kaksiulotteisen puolijohteen. Indium-selenidi (InSe) on vain muutamien atomien paksuinen, eli lähes yhtä ohut kuin grafeeni.

Uudessa yhdisteessä elektronien liikkuvuus on parempi kuin piillä ja suuri energia-aukko mahdollistaa transistorirakenteet, jotka lupailevat supernopeita seuraavan sukupolven elektronisia laitteita.

"Erittäin ohut InSe näyttää tarjoavan kultaisen keskitien piin ja grafeenin välillä. Grafeenin tavoin sillä on ohut rakenne, jonka avulla skaalautua nanometrien mittoihin. Piin tavoin se on myös erittäin hyvä puolijohde," toteaa Sir Andre Geim Manchesterin yliopiston uutistiedotteessa.

InSe-kerros on niin ohut, että se vaurioituu nopeasti ilmakehän hapen ja kosteuden vaikutuksesta. Kerrokset valmistettiinkin argonatmosfäärissä käyttämällä uutta National Graphene Institutessakehitettyä tekniikkaa.

Nyt saatiin aikaan mikrometrien kokoisia materiaalialoja mutta tutkijat uskovat, että suurialaisia grafeenitasoja tuottavia menetelmiä käyttäen, indium-seleniä voitaisiin myös pian tuottaa kaupallisella tasolla.

Nopeampia, pienempiä ja parempia

Minnesotan yliopiston johtamassa tutkimuksessa esitetään puolestaan miten 2D-materiaalien manipulointi voisi tehdä nykylaitteista nopeampia, pienempiä ja parempia.

Kaksiulotteisissa materiaaleissa elektronit ovat vapaita liikkumaan kaksiulotteisella tasolla, mutta niiden rajallista liikettä kolmanteen suuntaan säätelee kvanttimekaniikka.

Tässä valon ja aineen välistä vuorovaikutusta koskevassa tutkimuksessa lukuisien yliopistojen tutkijat selvittivät optisia ominaisuuksia useista kymmenistä kaksiulotteisista materiaaleista ja niiden yhdistelmistä.

Työ toi esiin sen, miten polaritonit muodostuvat, fotonien ja sähkövarauksen dipolien välisestä kytkennästä. Se puolestaan mahdollistaa yhdistää fotonisten valohiukkasten nopeuden ja elektronien pienuuden.

Virittämällä polaritonien kvasihiukkasia 2D-materiaaleissa, sähkömagneettista energiaa voidaan kohdistaa tilavuuteen, joka on miljoona kertaa pienempi kuin sen edetessä vapaassa tilassa, toteavat tutkijat.

"Plasma-polaritonien tutkimus kaksiulotteisissa on paitsi kiehtova tutkimuskohde mutta tarjoaa myös mahdollisuuksia merkittäville teknisille sovelluksille", toteaa tutkimuksessa mukana ollut Phaedon Avoruris, IBM T.J. Watson Research Centeristä.

"Esimerkiksi atomikerroksinen materiaali kuten grafeeni ulottuu plasmoniikan alalta infrapunan ja terahertsien alueille sähkömagneettisessa spektrissä. Sellainen mahdollistaa ainutlaatuisia sovelluksia aina pienien biomolekyylimäärien tunnistamisesta optisen viestinnän sovelluksiin, energian keruuseen ja turvallisuusalan kuvantamiseen."

Grafeeni on jo mukana monessa käytännön tuotteessa. Uusimpana EU:n Graphene Flagship -tutkimusprojekti yhdessä italialaisen CNR-ISOF:n kanssa on toteuttanut täysitoimisen NFC-antennin grafeenista.

Grafeeniantennin suorituskyky vastaa perinteistä metalliantennia. Se on myös kemiallisesti neutraali ja sietää tuhansia taivutuksia ja voidaan saostaa erilaisille polymeerialustoille tai silkkikudoksille.