211service.com
Bättre grafentransistorer
IBM-forskare har upptäckt ett sätt att avsevärt förbättra prestandan hos transistorer gjorda av ark av det tvådimensionella kolmaterialet grafen: de staplar upp dem. Genom att placera två lager grafen ovanpå varandra fann de att de kan minska enhetens elektriska brus med en faktor 10.
Dubbeldäckare: IBM-forskare har funnit att de avsevärt kan minska bruset i grafenenheter genom att stapla två lager tillsammans. Här jämförs bruset från ett enda lager grafen (vänster) med bruset från två lager (höger).
Fynden kan hjälpa till att realisera grafenbaserade chips som kör snabbare, är mer kompakta och förbrukar mindre ström än dagens kiselchips, säger Yu-Ming Lin , en vetenskapsman vid IBM T. J. Watson Research Center , i Yorktown Heights, NY. IBM-forskare undersöker också andra lovande efterföljare till kisel, till exempel grafenliknande kolnanorör. Grafen, som helt är gjord av kolatomer arrangerade i en enatoms tjock bikakestruktur, har ett antal egenskaper som gör det attraktivt för elektronik, särskilt för transistorer som producerar radiofrekventa signaler. Men transistorer skapade av materialet har plågats av brus, vilket gör signalerna de producerar mindre än idealiska för kommunikation. Forskarnas upptäckt kan hjälpa till att göra grafentransistorer praktiska.
Halvledarindustrin letar väldigt mycket efter nya material som kan överträffa kisel, säger Lin. Grafen är en främsta kandidat, säger han, när det gäller en given spänning kan grafen bära en mycket högre ström, eftersom elektronerna helt enkelt rör sig snabbare i grafenet än i kisel.
Denna förbättrade elektronmobilitet, vanligtvis var som helst från 50 till 500 gånger snabbare än kisel, gör det möjligt att bearbeta mer information med mindre kraft, vilket möjliggör extremt snabba växlingshastigheter. Grafen kan också potentiellt skäras till storlekar som är mycket mindre än kisel kan, vilket möjliggör mer kompakta transistorer och chips.
Men det finns en allvarlig utmaning att göra små, praktiska enheter av grafen, säger Pablo Jarillo-Herrero , en grafenforskare vid MIT. Ett av de stora problemen när enheterna blir mindre och mindre är att bruset blir större och större, säger han. Detta beror på att de små strömmarna som sipprar genom enheterna blir allt mer mottagliga för miljöpåverkan. Till exempel kan laddade partiklar i substratet nära enheten utöva ett inflytande på strömmen som flyter genom grafenet. Detta kan fungera som en barriär för strömflödet, vilket får den att avleda och förvränga den producerade signalen.
Men Lin, som arbetar med sin kollega Phaedon Avouris , upptäckte att placera två lager av grafen, det ena ovanpå det andra, har den oväntade egenskapen att avsevärt minska detta problem. Resultaten publiceras i det senaste numret av tidskriften Nanobokstäver .
Lin gör grafenskikten med en vanlig och överraskande lågteknologisk metod, känd som mekanisk exfoliering. Vi tar en bit tejp och drar bort ett lager från en bit grafit, säger Lin. Strukturen hos grafit är i huvudsak densamma som i en stor stapel grafen, och kolatomerna har en naturlig tendens att vilja stanna i dessa lager. Så vi upprepar normalt bara processen tills vi så småningom har ett enda lager, säger han.
När det placeras mellan två elektroder på ett oxidsubstrat, bildar detta arrangemang en fälteffekttransistor, den grundläggande byggstenen för chips. Samma tillvägagångssätt används med tvåskiktstransistorn, bara exfolieringsprocessen är avskuren något kort, med det slutliga antalet lager av grafen som bestäms med hjälp av atomkraftsmikroskopi. Båda skikten bibehåller sina önskvärda höga elektronrörlighetsegenskaper. Men nu kopplas strömmar genom båda lagren ihop så att varje elektron paras med en positiv laddning, vilket effektivt håller den på kurs, säger Lin. Paret motstår att avböjas av slumpmässiga positiva och negativa laddningar i materialen.
Även om det är ett viktigt steg att minska bruset i grafentransistorer, måste andra hinder, som att hitta sätt att göra högpresterande grafentransistorer i stort antal, övervinnas innan sådana enheter är redo för kommersialisering.