Bessere Graphen-Transistoren

IBM-Forscher haben einen Weg gefunden, die Leistung von Transistoren aus Platten des zweidimensionalen Kohlenstoffmaterials Graphen massiv zu verbessern: Sie stapeln sie. Durch das Übereinanderlegen von zwei Graphenschichten konnten sie das elektrische Rauschen des Geräts um den Faktor 10 reduzieren.



neue Technologie in der Wissenschaft

Doppeldecker: IBM-Forscher haben herausgefunden, dass sie das Rauschen in Graphen-Geräten erheblich reduzieren können, indem sie zwei Schichten übereinander stapeln. Hier wird das Rauschen einer einzelnen Graphenschicht (links) mit dem von zwei Schichten (rechts) verglichen.

Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, graphenbasierte Chips zu realisieren, die schneller laufen, kompakter sind und weniger Strom verbrauchen als heutige Siliziumchips, sagt Yu-Ming Lin , ein Wissenschaftler an der IBM T. J. Watson Research Center , in Yorktown Heights, NY. IBM-Forscher untersuchen auch andere vielversprechende Nachfolger von Silizium, etwa Graphen-ähnliche Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Graphen, das vollständig aus Kohlenstoffatomen besteht, die in einer ein Atom dicken Wabenstruktur angeordnet sind, hat eine Reihe von Eigenschaften, die es für die Elektronik attraktiv machen, insbesondere für Transistoren, die Hochfrequenzsignale erzeugen. Aber Transistoren, die aus dem Material hergestellt wurden, wurden von Rauschen geplagt, was die von ihnen erzeugten Signale für die Kommunikation weniger als ideal macht. Die Entdeckung der Forscher könnte dazu beitragen, Graphentransistoren praktisch zu machen.





Die Halbleiterindustrie sucht sehr intensiv nach neuen Materialien, die Silizium übertreffen können, sagt Lin. Graphen sei ein hervorragender Kandidat, sagt er, da Graphen bei einer gegebenen Spannung einen viel höheren Strom führen kann, weil sich die Elektronen im Graphen einfach schneller bewegen als in Silizium.

Diese verbesserte Elektronenmobilität, die in der Regel 50- bis 500-mal schneller als Silizium ist, ermöglicht die Verarbeitung von mehr Informationen mit weniger Energie und ermöglicht extrem schnelle Schaltgeschwindigkeiten. Graphen kann möglicherweise auch auf weit kleinere Größen geschnitten werden als Silizium, was kompaktere Transistoren und Chips ermöglicht.

Aber es ist eine ernsthafte Herausforderung, kleine, praktische Geräte aus Graphen herzustellen, sagt Pablo Jarillo-Herrero , ein Graphen-Forscher am MIT. Eines der Hauptprobleme bei immer kleiner werdenden Geräten ist, dass das Rauschen immer größer wird, sagt er. Denn die winzigen Ströme, die durch die Geräte rieseln, werden immer anfälliger für Umwelteinflüsse. Beispielsweise können geladene Teilchen im Substrat in der Nähe des Bauelements einen Einfluss auf den durch das Graphen fließenden Strom ausüben. Dies kann wie eine Barriere für den Stromfluss wirken und dazu führen, dass das erzeugte Signal abgelenkt und verstümmelt wird.



Aber Lin arbeitet mit seinem Kollegen Phaedon Avouris , entdeckte, dass das Übereinanderlegen von zwei Graphenschichten die unerwartete Eigenschaft hat, dieses Problem deutlich zu reduzieren. Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift veröffentlicht Nano-Buchstaben .

wenn die Temperatur einer Probe eines radioaktiven Elements sinkt

Lin stellt die Graphenschichten mit einem gebräuchlichen und überraschend Low-Tech-Ansatz her, der als mechanisches Peeling bekannt ist. Wir nehmen ein Stück Klebeband und ziehen eine Schicht von einem Stück Graphit ab, sagt Lin. Die Struktur von Graphit entspricht im Wesentlichen der eines großen Graphenstapels, und die Kohlenstoffatome neigen von Natur aus dazu, in diesen Schichten verbleiben zu wollen. Also wiederholen wir den Vorgang normalerweise einfach, bis wir schließlich eine einzige Schicht haben, sagt er.

Zwischen zwei Elektroden auf einem Oxidsubstrat platziert, bildet diese Anordnung einen Feldeffekttransistor, den Grundbaustein von Chips. Der gleiche Ansatz wird beim zweischichtigen Transistor verwendet, nur der Exfoliationsprozess wird etwas verkürzt und die endgültige Anzahl der Graphenschichten wird mit Rasterkraftmikroskopie bestimmt. Beide Schichten behalten ihre wünschenswerten Eigenschaften hoher Elektronenmobilität. Aber jetzt koppeln sich Ströme, die durch beide Schichten fließen, so dass jedes Elektron mit einer positiven Ladung gepaart ist und es effektiv auf Kurs hält, sagt Lin. Das Paar widersteht einer Ablenkung durch zufällige positive und negative Ladungen in den Materialien.

Während die Verringerung des Rauschens in Graphentransistoren ein wichtiger Schritt ist, müssen andere Hindernisse, wie beispielsweise die Suche nach Wegen zur Herstellung von Hochleistungsgraphentransistoren in großen Stückzahlen, überwunden werden, bevor solche Bauelemente für die Kommerzialisierung bereit sind.



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