Gennembrud for brugbare grafen-transistorer

Udviklingen af den omdiskuterede grafen-transistor, fremtidens afløser for silicium-halvlederne, har fået et afgørende gennembrud. Et engelsk forskerhold på University of Southampton, ledet af dr. Zakaria Moktadir, har fremstillet en grafen-field-effect transistor (GFET), som har et forhold mellem tændt og slukket strøm på 100.000 gange. Det skyldes et særligt U-formet design, der udnytter særlige kvanteegenskaber.

Grafen (på engelsk: graphene), som er et kulstof-ark bestående af et enkelt lag af kulstofatomer, blev opdaget i 1960'erne. Men først for få år siden blev det klart, at stoffet er meget lovende til fremtidens transistorer. Et stof, som kan gøre computere meget hurtige.

Grafen har nemlig en ekstremt høj elektronmobilitet ved stuetemperatur, og med et passende design kan skiftetiderne mellem tændt og slukket blive meget korte. Men det passende design har vist sig at give forskerne hovedbrud.

Øverst ses den U-formede GFET-transistor, der er fremstillet med skarpe knæk i hjørnerne, takket være et særligt elektronmikroskop. Forskerne kalder de skarpe hjørner for 'geometriske singulariteter', og nævner kvanteeffekter som elementer i spillet. Men GFET'ens tænd/sluk-mekanisme er ikke fuldstændig forstået endnu. (Foto: University of Southampton) Illustration: University of Southampton

Årsagen er, at et grafen-ark ikke er en rigtig halvleder, fordi det ikke har noget ordentligt bånd-gab, og uden bånd-gab er der ingen mulighed for at tænde og slukke ordentligt for en grafen-transistor. Bånd-gabet er den energi, der skal bruges for at sparke en elektron fra valensbåndet op i ledningsbåndet.

En måde at oprette et bånd-gab på, kunstigt så at sige, er at klippe grafen-arket op i smalle bånd, omkring 5 nanometer brede, så strukturen bliver nærmest én-dimensional, skriver Moktadir i sin artikel. Men moderne litografiske metoder er ikke præcise nok til dette.

Moktadir og hans folk fandt på noget helt nyt, som de kalder en geometrisk singularitet. Singulariteten består simpelthen af et skarpt knæk, omtrent som hvis man bukker et ark papir over en skarp kant. Sådan et knæk har den egenskab, at det standser elektronstrømmen på et grafen-ark.

Kvantemekanisk effekt

Moktadir skriver i en forskningsartikel, at en teoretisk beregning viser, at der opstår et bånd-gab i den L-formede kanal, der udformes i knækket, og at det hænger sammen med kvantemekaniske, kvasi-bundne tilstande ved hjørnerne.

Men den fremstillingsmetode, der typisk bruges til fremstilling af grafen-ark, anvender elektronstrålelitografi. Og den slags litografi efterlader afrundede hjørner på arkene. Derfor måtte de finde på noget andet, og det blev et helium-ion mikroskop, som kan bruge både helium-ioner og gallium-ioner.

Med det værktøj kunne de høvle bittesmå geometrier ud af grafen-arket og lægge lag på lag af grundstoffet Wolfram på kanterne, indtil den ønskede U-facon viste sig. Og så var der pludselig et brugbart bånd-gab.

Denne opdagelse gør det muligt at udvikle effektive, logiske kredsløb med grafen-transistorer, skriver han.

I den kommende tid vil forskerholdet prøve at forbedre metoden, samtidig med, at de forsøger at få en fuldstændig forståelse af, hvad der sker i grafen-arkets skarpe hjørner. Fremstillingsprocessen skal være ensartet fra gang til gang, og transistor-designet skal optimeres. Desuden skal transistorens temperaturegenskaber udforskes.

Planerner er at udvikle et antal forskellige logiske kredsløb og konstruere en simpel inverter til demonstrationsbrug.

Dokumentation

Pressemeddelelse fra University of Southampton
Forskningsartikel i Electronic Letters