Graphen er i store dele af verden udråbt som siliciums afløser på halvlederfronten, og forskningen har været massiv de seneste seks år. Årsagen er, at graphen er et ekstremt stærkt og ledende materiale, der i sin rette form slår siliciums hurtighed af pinden med flere længder, selv om det har vist sig som en større udfordring at styre ledningsevnen.

Men nu kan kulstoffet være et skridt tættere på en status som halvledermateriale til brug i lynhurtige mikrochips. I hvert fald har forskere på Aalborg og Aarhus Universiteter formået at skabe en nanostruktur i materialet, som løser dette problem.

»Det handler om at kunne tænde og slukke for strømmen i transistoren, ligesom man kan med silicium. Her mangler graphen det båndgab, som gør det til en halvleder,« siger Liv Hornekær, lektor på Institut for fysik og astronomi på Aarhus Universitet.

Øer af brint åbner båndgabet
Forskerne har nu formået at åbne et båndgab ved at lave nanomønstre af brintmolekyler på overfladen af en graphenflage, der igen ligger på en metalkrystal. Oven på de sekskantede graphenstrukturer af kulstof har forskergruppen lagt små mængder brint, som placeret i små ’øer’ begrænser elektronernes bølgefunktioner, så båndgabet bliver åbnet.

Dette mønsterprincip har samtidig vist sig at kunne skaleres forholdsvist nemt op afhængig af størrelsen på flagen. Universiteterne har påvist, at båndgabet kan skabes på flager i mikrometerstørrelse, men ifølge Liv Hornekær kan det lige så nemt lade sig gøre i milimeterstørrelse, hvilket er vigtigt, hvis chipproducenter skal kunne bruge materialet på store wafers.

I tykkelsen fylder graphen ikke meget – der skal kun bruges ét lag atomer, og selv om man stabler 300.000 lag oven på hinanden, ville materialet ikke værre tykkere end et ark papir.

IBM har lanceret transistor
IBM var tidligere på året på banen med en transistor baseret på graphen, men ifølge Liv Hornekær skal denne ses som et af de første forsøg.

»Denne transistor er enormt hurtig, men endnu ikke på højde med siliciumchip, når det kommer til muligheden for at slukke for strømmen,« vurderer hun.

Til gengæld har de danske forskere endnu ikke skabt en transistor, men kun det materiale, der i teorien kan frembringe fremtidens computerchips. Der venter stadig mange udfordringer.

»Nu skal vi demonstrere, at metoden kan bruges i stor skala og overleve at blive implementeret i et device uden, at strukturen bliver ødelagt af f.eks. en polymercoating, når den er lagt på en wafer. Så endnu ved vi jo ikke, om det hele kommer til at virke,« siger Liv Hornekær.

Egnet til røgalarmer
Desuden arbejder forskerne videre på at forfine strukturerne og finde metoder til at fintune båndgabet, så det kan tilpasses den sammenhæng, det skal indgå i.

»Der kan være forskellige ønsker om båndgab, afhængig af, om materialet skal bruges som transistor eller i en solcelle. Her er vi i gang med at prøve nogle forskellige muligheder af ved at justere på mønsterstørrelsen, så vi kan få nogle ordnede strukturer, som er mere stabile til den videre produktion,« siger Liv Hornekær, som også skal til at forsøge sig med at lægge polymer på overfladen for at se, om strukturen bliver brudt eller klarer sig igennem.

Resultaterne blev i går publiceret i tidsskrifterne Nature Materials og Nature Physics, hvilket Liv Hornekær ser som et væsentligt skridt på vejen for at give forskningen et spark videre mod kommercialisering.

»Det vil være oplagt at teame op med folk, der har erfaring på devicesiden, men der har vi også stadig noget arbejde at gøre,« siger hun.

Ud over computerchips kan graphen vise sig nyttigt i hyperfølsomme sensorer såsom røgalarmer eller apparater til diagnosticering af kemisk indhold i luften, da graphen reagerer på ganske få molekyler.