Výzkumníci z Georgijského technologického institutu (Georgia Tech) vytvořili první funkční polovodič na světě z grafenu. Tento průlomový počin otevírá dveře k nové generaci elektroniky.

Vítejte v grafenové elektronice!

Objev přichází v době, kdy křemík – materiál, z něhož se vyrábí téměř veškerá moderní elektronika – naráží na svá omezení a brzdí rozvoj rychlejších počítačů i menších elektronickým zařízení.

Walter de Heer, profesor fyziky na Georgia Tech, vedl tým výzkumníků z Atlanty a čínského Tchien-ťinu, který sestavil grafenový polovodič kompatibilní s běžnými metodami zpracování mikroelektroniky, což je pro jakoukoli životaschopnou alternativu ke křemíku nezbytnost.

De Heer začal zkoumat materiály na bázi uhlíku jako případné polovodiče už na počátku své kariéry. Grafenem se zabývá od roku 2001. Tušil, že má ohromný potenciál pro elektroniku.

„Motivovala mě naděje, že do elektroniky zavedeme tři zvláštní vlastnosti grafenu. Je to materiál, který zvládne velmi velké proudy a dokáže to, aniž by se zahříval a rozpadal,“ cituje de Heera magazín Georgia Tech.

Během výzkumu, publikovaného v časopise Nature, de Heer a jeho tým překonali překážku, která trápila grafenový výzkum desítky let a kvůli níž si mnozí odborníci mysleli, že grafenová elektronika nikdy nebude fungovat.

Je jí zakázaný pás, který umožňuje polovodičům měnit vodivost v závislosti na tom, zda na ně působí elektrické pole. V této oblasti se nenacházejí elektrony. K tomu, aby elektrony pás překonaly a látka mohla vést proud, je nutné dodat zvnějšku energii.

Dosud se u grafenu zakázaný pás vytvořit nedařilo. De Heerův tým však dosáhl průlomu, když vyrobil polovodivý epitaxní grafen, a to tak, že výzkumníci nechali „vyrůst“ grafen na ploše karbidu křemíku. Tento grafen se chemicky spojil s karbidem křemíku a začal vykazovat polovodičové vlastnosti.

Dálnice vs. štěrková cesta. Vyberte si

Deset let de Heerův tým pokračoval ve zdokonalování materiálu na Georgia Tech a později ve spolupráci s experty z Mezinárodního centra pro nanočástice a nanosystémy na Tianjinské univerzitě. De Heer založil toto centrum s Lei Maem, spoluautorem výzkumu.

Měření týmu ukázala, že vylepšený grafenový polovodič má desetkrát větší pohyblivost elektronů než křemík. Elektrony se v něm pohybují s velmi nízkým odporem, což v elektronice znamená vyšší operační rychlost.

Researchers in @GTPhysics have created the world’s first functional graphene semiconductor. The team’s breakthrough published in @Nature throws open the door to a new way of doing electronics. https://t.co/CMQDdCsShz pic.twitter.com/QvIkGLRExw

— Georgia Tech Research (@GTResearchNews) January 3, 2024

„Je to jako jízda po dálnici proti kodrcání po štěrkové cestě,“ vysvětluje de Heer. „Je to prostě účinnější, tolik se to nezahřívá a umožňuje to rychlejší pohyb elektronů.“

Výsledek práce de Heerova týmu je v současnosti jediným dvourozměrným polovodičem, který má všechny potřebné vlastnosti pro použití v nanoelektronice. Jeho elektrické vlastnosti jsou také výrazně lepší než u všech ostatních 2D polovodičů, které jsou v současné době ve vývoji, píše magazín Georgia Tech.