Hiilestä transistoreita ja tietokoneita

Mikroskooppikuva laajakaistaisesta metallisesta grafeeninanonauhasta. Jokainen ulkonemien joukko vastaa yksittäin miehitettyä elektroniorbitaalia. Nauhan leveys on 1,6 nanometriä. (UC Berkeley image by Daniel Rizzo)

Hiileen eikä piihin perustuvat transistorit saattavat parantaa tietokoneiden nopeutta ja vähentää niiden virrankulutusta yli tuhatkertaisesti mutta toimivien hiilipiirien rakentamiseen tarvittavat työkalut ovat pysyneet epätäydellisinä tähän asti.

Kalifornian Berkeleyn yliopiston kemisti- ja fyysikkoryhmä on nyt luonut välinepakin perimmäisen työkalun, kokonaan hiilestä valmistetun metallilangan. Se luo osaltaan alustan tutkimukselle hiilipohjaisten transistoreiden ja viime kädessä tietokoneiden rakentamiseksi.

"Pitäytyminen samassa materiaalissa, hiilipohjaisten materiaalien valtakunnassa on se mikä kasaa tämän tekniikan nyt yhteen", kertoo Felix Fischer, Berkeleyn kemian professori, huomauttamalla, että kyky valmistaa kaikki piirielementit samasta materiaalista tekee valmistuksesta helpompaa. "Se on ollut yksi tärkeimmistä asioista, joka on puuttunut täysin hiilipohjaisen integroidun piirin arkkitehtuurin kokonaiskuvasta."

UC Berkeleyn ryhmä on työskennellyt useiden vuosien ajan puolijohteiden ja eristeiden valmistamiseksi grafeeninanonauhoista. Ne ovat kapeita, yksiulotteisia nauhoja atominpaksuisesta grafeenista. Metallisen grafeeninanonauhan tavoitteena on elektronien kuljettaminen puolijohtavien nanonauhojen välillä täysin hiileen perustuvissa transistoreissa.

Metalliset nanonauhat rakennettiin kokoamalla ne pienemmistä identtisistä rakennepalikoista: alhaalta ylöspäin suuntautuvalla lähestymistavalla, kertoo Fischerin kollega, Michael Crommie, UC Berkeleyn fysiikan professori. Jokainen rakenneosa tukee elektronia, joka voi virrata vapaasti nanonauhaa pitkin.

Vaikka muut hiilipohjaiset materiaalit - kuten laajennetut 2D-grafeeniarkit ja hiilinanoputket - voivat olla metallisia, niiden ongelmina ovat muuttuminen spontaanisti puolijohteiksi tai eristeiksi. Hiilinanoputkia, jotka ovat erinomaisia johtimia, ei voida valmistaa samalla tarkkuudella ja toistettavuudella suurina määrinä kuten nanonauhoja.

"Nanonauhat antavat meille kemiallisen pääsyn laajaan valikoimaan rakenteita käyttämällä alhaalta ylöspäin tapahtuvaa valmistusta, mikä ei ole vielä mahdollista nanoputkien kanssa", Crommie sanoo. "Tämä on antanut meille mahdollisuuden ommella elektronit yhteen muodostaen metallisen nanonauhan, jollaista ei ole aiemmin tehty. Tämä on yksi suurimmista haasteista grafeeninanonauhojen tekniikan alalla ja miksi olemme siitä niin innoissamme."

Metallisten grafeeninanonauhojen, joilla on metalleille ominainen laaja, osittain täytetty elektroninen kaista, johtokyvyn tulisi olla verrattavissa itse 2D-grafeeniin.

"Mielestämme metalliset langat ovat todella läpimurto; se on ensimmäinen kerta, kun voimme tarkoituksella luoda erittäin kapean metallijohtimen - hyvän, luonnollisen johtimen - hiilipohjaisista materiaaleista ilman ulkoista seostusta", Fischer lisää.

Uudet nanonauhat on suunniteltu tarkasti, jotta niillä on vain yksi tapa sopia yhteen. Sen itsekoostumusta hallitaan kemialla. Valmiina nanonauhan elektroninen tila on metalli ja jokainen sen segmentti myötävaikuttaa yhteen johtavaan elektroniin.

Kaksi tutkijaa työskentelee jo UC Berkeleyn sähköinsinöörien kanssa kootakseen puolijohtavien, eristävien ja metallisten grafeeninanonauhojen välinepakin toimiviksi transistoreiksi.

"Uskon, että tämä tekniikka mullistaa integroitujen piirien rakentamisen tulevaisuudessa", Fischer toteaa. "Sen pitäisi viedä iso askel parempaan suorituskykyyn kuin piiltä voidaan odottaa tällä hetkellä. Meillä on nyt mahdollisuus päästä nopeampiin kytkentänopeuksiin paljon pienemmällä virrankulutuksella. Se on se mikä tulevaisuudessa ajaa kohti hiilipohjaisen elektroniikan puolijohdeteollisuutta."

Aiheesta aiemmin: Metallimaisia grafeeni-nanonauhoja