Što se dogodi kada se grafen susretne s poluvodičem?

grafenGrafen je kristal dvodimenzionalne strukture, sastavljen od jednog sloja ugljikovih atoma raspoređenih u pravilan heksagon. Ima iznimnu sposobnost provodljivosti električne struje, jeftin je i netoksičan te ga nazivaju čudom od materijala.

Samo četiri godine nakon što su ga izdvojili iz dijela grafita, dvojica znanstvenika Andre Geim i Konstantin Novoselov, nagrađeni su Nobelovom nagradom. Njegovo otkriće odrazilo se na brojna područja znanosti, od kvantne fizike do praktične elektronike. Prikladan je za izradu providnih ekrana osjetljivih na dodir, svjetlosnih panela i solarnih ćelija.

Pomiješan s plastikom, omogućava izradu laganih i superjakih kompozitnih materijala za sljedeću generaciju satelita, zrakoplova i automobila, te se smatra bi grafenski tranzistori mogli zamijeniti današnje silicijske i omogućiti izradu još djelotvornijih računala. Iako se smatra materijalom nove generacije, znanstvenici još uvijek ne znaju dovoljno o ovom visoko-učinkovitom vodiču električne struje.

Novo istraživanje provedeno na Sveučilištu u Wisconsinu otkrilo je nove karakteristike prijenosa elektrona u dvodimenzionalnom sloju grafena položenog na vrh poluvodiča. Istraživači su demonstrirali da kada su elektroni preusmjereni na sučelje grafena i podloge poluvodiča susreću se s nečim što se zove Schottky barijera.

Ako je dovoljno duboka, elektroni ne prolaze, osim ako je otklonjena postavljanjem elektronskog polja – potencijalnim mehanizmom za uključivanje i isključivanje naprava izrađenih od grafena. Tim je otkrio još jedno svojstvo grafena koje utječe na visinu barijere, a to su unutarnji valovi koji se formiraju u grafenu kada je postavljen na vrh poluvodiča.

Grupa istraživača pod vodstvom profesora fizike Lian Lia and Michael Weinerta proveli su eksperiment s poluvodičem silicijevim karbidom, te su zaključili da su ti valovi analogni valovitosti papira koje je smočen, a potom osušen. „Osim u ovom slučaju, debljina sloja je manja od jednog nanometra (milijarditi dio metra).“ napominje Weinert. „Naše studije pokazuju da valovi utječu na visinu barijere, te čak i u malim varijacijama rezultat će biti velika promjena u prijenosu elektrona. Barijera mora biti jednake visine duž cijelog sloja da bi osigurala da je struja ili uključena ili isključena.“ kaže Li.

„Što ima više uvjeta koji utječu na prepreku, više posla je potrebno da se odredi koji poluvodiči će biti najprikladniji za konstruiranje tranzistora od grafena. Sposobnost kontroliranja uvjeta koji utječu na barijeru omogućit će provodljivost u tri dimenzije, umjesto duž jednostavne ravnine. Ova 3D provodljivost će biti nužna za znanstvenike pri stvaraju kompliciranijih nano-uređaje.“ dodaje Weinert.

S obzirom na to da konvencionalne metode kojima je grafen dobivan, kao što je ljuštenje pojedinih atomskih slojeva grafita, taloženje ugljikovih atoma iz faze plina ili toplinska grafitizacija silicijevog karbida ne omogućavaju širu tehnološku upotrebu, mnogi istraživači koncentriraju se na izradu alternativnih proizvodnih postupaka. Jedan od njih je korištenje aromatske molekule kao polazišne točke, te bakrovih kristala i jeftine bakrene folije kao podloge.

Ozračivanjem niskoenergijskih elektrona i naknadnim toplinskim žarenjima, bilo je moguće pretvoriti jednoslojnu molekulu bifenil tiola koji se istaložio na površini bakra u grafen. Odabir temperature u toplinskoj pretvorbi je također omogućio stvaranje stupnja kristaličnosti i karakteristika grafena ovisno o potrebi.

Brojna mjerenja potvrdila su da je grafen proizveden iz aromatske molekule izvrsne kvalitete.

Izvor: Physikalisch-Technische Bundesanstalt,University of Wisconsin – Milwaukee

Leave a Comment