4 ژانویه 2024-نیمه هادی ساخته شده از گرافن-اعتبار: موسسه فناوری جورجیا
محققان موسسه فناوری جورجیا اولین نیمه هادی کاربردی جهان را ساخته اند که از گرافن ساخته شده است، ورقه ای از اتم های کربن که توسط قوی ترین پیوندهای شناخته شده در کنار هم قرار گرفته اند.نیمه هادی ها موادی هستند که جریان الکتریکی را تحت شرایط خاص هدایت می کنند و اجزای اساسی دستگاه های الکترونیکی هستند.پیشرفت این تیم در ایجاد نیمه هادی ساخته شده از گرافن، راه جدیدی را برای انجام کارهای الکترونیکی باز می کند.
تحقیق جدید «گرافن هم‌رسانی نیمه‌رسانا با تحرک فوق‌العاده بالا بر روی کاربید سیلیکون» در Nature منتشر شده است.
نیمه هادی های گرافن می توانند راه جدیدی برای پیشرفت باشند
کشف آنها در زمانی اتفاق می‌افتد که سیلیکون، ماده‌ای که تقریباً تمام وسایل الکترونیکی مدرن از آن ساخته می‌شوند، در مواجهه با محاسبات سریع‌تر و دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌تر به حد خود رسیده است.
نیمه هادی ساخته شده از گرافن با روش های مرسوم پردازش میکروالکترونیک سازگار است – که برای هر جایگزین مناسبی برای سیلیکون ضروری است.
والتر دی هیر، پروفسور فیزیک ریجنتز در جورجیا تک، گفت: «ما اکنون یک نیمه هادی گرافنی بسیار قوی با قابلیت تحرک ده برابر سیلیکون داریم و همچنین دارای خواص منحصر به فردی است که در سیلیکون موجود نیست. “اما آیا می توانیم آن را به کار بیاندازیم؟”
وی ادامه داد: امید به معرفی سه ویژگی خاص گرافن به الکترونیک بود.
این یک ماده بسیار قوی است که می تواند جریان های بسیار بزرگی را تحمل کند و می تواند بدون گرم شدن و از هم پاشیدن این کار را انجام دهد.دی هیر زمانی که او و تیمش کشف کردند که چگونه گرافن را بر روی ویفرهای کاربید سیلیکون با استفاده از کوره‌های مخصوص رشد دهند، به موفقیت دست یافت.آنها گرافن اپیتاکسیال را تولید کردند که یک لایه منفرد است که روی سطح کریستالی کاربید سیلیکون رشد می کند. این تیم دریافتند که وقتی به درستی ساخته شد، گرافن همپایه از نظر شیمیایی به کاربید سیلیکون متصل شد و شروع به ایجاد یک نیمه هادی ساخته شده از گرافن کرد.
هموار کردن راه برای استفاده تجاری از گرافن در نانوالکترونیک
گرافن در شکل طبیعی خود نه نیمه هادی است و نه فلز، بلکه یک نیمه فلز است. شکاف نواری ماده ای است که می تواند وقتی میدان الکتریکی روی آن اعمال می شود روشن و خاموش شود، به این ترتیب تمام ترانزیستورها و الکترونیک سیلیکونی کار می کنند.سوال اصلی در تحقیقات الکترونیک گرافن این بود که چگونه آن را خاموش و روشن کنیم تا مانند یک نیمه هادی سیلیکونی کار کند.
با این حال، برای ساخت یک ترانزیستور کاربردی، یک ماده نیمه رسانا باید تا حد زیادی دستکاری شود، که می تواند به خواص آن آسیب برساند. این تیم نیاز به اندازه‌گیری ویژگی‌های الکترونیکی آن بدون آسیب رساندن به آن داشتند تا ثابت کنند که می‌توانند یک نیمه‌رسانای زنده ساخته شده از گرافن تولید کنند.
نیمه هادی های ساخته شده از گرافن-اعتبار: موسسه فناوری جورجیا
آنها اتم‌هایی را روی گرافن قرار می‌دهند که الکترون‌هایی را به سیستم اهدا می‌کنند – تکنیکی به نام دوپینگ که برای بررسی اینکه آیا این ماده رسانای خوبی است یا خیر.
بدون آسیب رساندن به مواد یا خواص آن کار کرد.
اندازه گیری های این تیم نشان داد که نیمه هادی گرافنی آنها ده برابر بیشتر از سیلیکون تحرک دارد. این بدان معناست که الکترون‌ها با مقاومت بسیار کم حرکت می‌کنند که در الکترونیک به محاسبات سریع‌تر تبدیل می‌شود.
دی هیر توضیح داد: «مثل رانندگی در یک جاده شنی است در مقابل رانندگی در یک بزرگراه. کارآمدتر است، آنقدر گرم نمی‌شود و سرعت‌های بالاتری را می‌دهد تا الکترون‌ها بتوانند سریع‌تر حرکت کنند.»
محصول این تیم در حال حاضر تنها نیمه هادی دو بعدی با تمام خواص لازم برای استفاده در نانوالکترونیک است و خواص الکتریکی آن بسیار برتر از هر نیمه هادی دو بعدی دیگری است که در حال حاضر در حال توسعه است.
آینده نیمه هادی های گرافن
گرافن اپیتاکسیال می‌تواند باعث تغییر پارادایم در حوزه الکترونیک شود و امکان استفاده از فناوری‌های کاملاً جدیدی را فراهم کند که از ویژگی‌های منحصر به فرد آن بهره می‌برند.این ماده اجازه می دهد تا از خواص موج مکانیکی کوانتومی الکترون ها استفاده شود که برای محاسبات کوانتومی مورد نیاز است.
دی هیر گفت: “انگیزه ما برای ایجاد یک نیمه هادی ساخته شده از گرافن برای مدت طولانی وجود داشته است و بقیه فقط در حال تحقق آن بودند.”
او در پایان گفت: ما باید یاد می گرفتیم که چگونه با مواد رفتار کنیم، چگونه آن را بهتر و بهتر کنیم و در نهایت چگونه خواص را اندازه گیری کنیم. این خیلی خیلی طول کشید.»
