Лазерный метод может выявить использование графена для более быстрой электроники

В 2004 году учеными был обнаружен сверхтонкий материал, графен, который не менее чем в 100 раз прочнее стали и самый известный проводник электричества и тепла.

Графен, сверхтвердый чудо-материал, еще не превратился в электронику, поскольку не проводит электрический ток на свой. Исследователи использовали лазерную технику, чтобы перманентно выдавливать графен в структуру, которая позволяет протекать электрическому току. (Изображение предоставлено Университетом Пердью / Гэри Ченг)

Это означает, что графен может ускорить появление более быстрой электроники, чем это возможно в настоящее время с кремнием.

Но чтобы быть действительно полезным, графен должен был бы удерживать электрический ток, который включался и выключался, подобно тому, что кремний делает в виде многочисленных транзисторов на компьютерном чипе. Это переключение создает строки 0 и 1, которые компьютер использует для обработки данных.

Ученые из Университета Пердью в партнерстве с Мичиганским университетом и Университетом науки и техники Хуачжон демонстрируют, как лазерный метод может перманентно напрягать графен для формирования структуры, которая позволяет протекать электрическому току.

Эту структуру называют «запрещенной зоной». Электроны должны перепрыгивать через эту щель, чтобы превратиться в электроны проводимости, что делает их способными передавать электрический ток. Но графен по своей природе не обладает запрещенной зоной.

Ученые Пердью разработали и расширили ширину запрещенной зоны в графене до рекордных 2,1 электронвольт. Чтобы работать в качестве полупроводника, такого как кремний, ширина запрещенной зоны должна быть, по крайней мере, более ранней записью 0,5 электронвольт.

«Это первый случай, когда усилия достигли такой большой ширины запрещенной зоны, не влияя на сам графен, например, посредством химического легирования. Мы чисто напрягли материал », – сказал Гэри Ченг, профессор промышленного машиностроения в Пердью, Гари Ченг, чья лаборатория изучила множество способов сделать графен более полезным для коммерческого применения.

Наличие запрещенной зоны позволяет полупроводниковым материалам переключаться между изоляцией или проводящим электрическим током, основываясь на том, протянуты ли их электроны поперек запрещенной зоны или нет.

Превышение 0,5 электронвольт открывает еще больше возможностей для графена в электронных устройствах следующего поколения, говорят ученые. Их результаты исследований были опубликованы в выпуске Advanced Materials .

«Исследователи в прошлом открывали запрещенную зону, просто растягивая графен, но одно только растяжение не сильно расширяет запрещенную зону. Вам нужно постоянно менять форму графена, чтобы сохранить ширину запрещенной зоны », – сказал Ченг.

Чэн и его сотрудники не только поддерживали ширину запрещенной зоны в открытом состоянии в графене, но и сделали это для того, чтобы ширина щели могла быть отрегулирована от нуля до 2,1 электронвольт, предоставляя исследователям и производителям возможность просто использовать определенные свойства графена на основе того, что они хотят, чтобы материал достиг.

Ученые сделали структуру запрещенной зоны постоянной в графене, используя метод, известный как импринтинг лазерным ударом, который Чен создал в 2014 году вместе с исследователями из Гарвардского университета, Мадридского института перспективных исследований и Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Для этого исследования команда использовала лазер для создания ударно-волновых импульсов, которые попадали в нижележащий слой графена. Удар лазера приводит к тому, что графен натягивается на форму, похожую на желоб, и постоянно формирует его. Точная настройка мощности лазера изменяет ширину запрещенной зоны.

Хотя метод еще не близок к включению графена в полупроводниковые приборы, этот метод обеспечивает большую гибкость в использовании магнитных, оптических и тепловых свойств материала, сказал Ченг.

Исследование было поддержано многочисленными организациями, в том числе Национальным научным фондом (номера грантов CMMI-0547636 и CMMI 0928752) и старшим научным союзом Национального исследовательского совета.

Source link