• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Vatten kan ha svar på grafen nanoelektronik

    Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute utvecklade en ny metod för att använda vatten för att justera bandgapet i nanomaterialet grafen, öppnar dörren till nya grafenbaserade transistorer och nanoelektronik. I denna optiska mikrografbild, en grafenfilm på ett kiseldioxidsubstrat testas elektriskt med en fyrpunktssond. Kredit:Rensselaer/Koratkar

    Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute utvecklade en ny metod för att använda vatten för att justera bandgapet i nanomaterialet grafen, öppnar dörren till nya grafenbaserade transistorer och nanoelektronik.

    Genom att exponera en grafenfilm för fukt, Rensselaer Professor Nikhil Koratkar och hans forskargrupp kunde skapa ett bandgap i grafen – en avgörande förutsättning för att skapa grafentransistorer. I hjärtat av modern elektronik, transistorer är enheter som kan slås "på" eller "av" för att ändra en elektrisk signal. Datormikroprocessorer består av miljontals transistorer gjorda av det halvledande materialet kisel, som branschen aktivt söker efter en efterträdare för.

    grafen, ett atomtjockt ark av kolatomer arrangerade som ett kedjelänksstängsel i nanoskala, har inget bandgap. Koratkars team visade hur man öppnar ett bandgap i grafen baserat på mängden vatten de adsorberade på ena sidan av materialet, att justera bandgapet till valfritt värde från 0 till 0,2 elektronvolt. Denna effekt var helt reversibel och bandgapet reducerades tillbaka till noll under vakuum. Tekniken involverar ingen komplicerad konstruktion eller modifiering av grafenen, men kräver en kapsling där luftfuktigheten kan kontrolleras exakt.

    "Graphene är uppskattat för sina unika och attraktiva mekaniska egenskaper. Men om du skulle bygga en transistor med grafen, det skulle helt enkelt inte fungera eftersom grafen fungerar som en halvmetall och har noll bandgap, sa Koratkar, en professor vid institutionen för mekaniska, Aerospace, och kärnteknik vid Rensselaer. "I den här studien, vi visade en relativt enkel metod för att ge grafen ett bandgap. Detta kan öppna dörren för att använda grafen för en ny generation transistorer, dioder, nanoelektronik, nanofotonik, och andra applikationer."

    Resultaten av studien beskrivs i uppsatsen "Tunable Band gap in Graphene by the Controlled Adsorbtion of Water Molecules, " publicerad denna vecka av tidskriften Små .

    I sitt naturliga tillstånd, grafen har en speciell struktur men inget bandgap. Den beter sig som en metall och är känd som en bra ledare. Detta jämförs med gummi eller de flesta plaster, som är isolatorer och inte leder elektricitet. Isolatorer har ett stort bandgap – ett energigap mellan valens- och ledningsbanden – som hindrar elektroner från att leda fritt i materialet.

    Mellan de två finns halvledare, som kan fungera som både ledare och isolator. Halvledare har ett smalt bandgap, och applicering av ett elektriskt fält kan provocera elektroner att hoppa över gapet. Möjligheten att snabbt växla mellan de två tillstånden - "på" och "av" - är anledningen till att halvledare är så värdefulla i mikroelektronik.

    "I hjärtat av varje halvledarenhet är ett material med ett bandgap, " sa Koratkar. "Om du tittar på chipsen och mikroprocessorerna i dagens mobiltelefoner, Mobil enheter, och datorer, var och en innehåller en mängd transistorer gjorda av halvledare med bandgap. Grafen är ett nollbandsgapmaterial, vilket begränsar dess användbarhet. Så det är viktigt att utveckla metoder för att inducera ett bandgap i grafen för att göra det till ett relevant halvledande material."

    Symmetrin i grafens gitterstruktur har identifierats som en orsak till materialets avsaknad av bandgap. Koratkar utforskade idén att bryta denna symmetri genom att binda molekyler till endast en sida av grafenet. Att göra detta, han tillverkade grafen på en yta av kisel och kiseldioxid, och exponerade sedan grafenet för en miljökammare med kontrollerad luftfuktighet. I kammaren, vattenmolekyler adsorberade till den exponerade sidan av grafen, men inte på den sida som är vänd mot kiseldioxiden. Med symmetrin bruten, bandgapet av grafen gjorde, verkligen, öppna, sa Koratkar. Bidragande till effekten är också att fukten interagerar med defekter i kiseldioxidsubstratet.

    "Andra har visat hur man skapar ett bandgap i grafen genom att adsorbera olika gaser till dess yta, men det är första gången det har gjorts med vatten, " sa han. "Fördelen med vattenadsorption, jämfört med gaser, är att det är billigt, giftfri, och mycket lättare att kontrollera i en chipapplikation. Till exempel, Med framsteg inom mikroförpackningsteknik är det relativt enkelt att konstruera ett litet hölje runt vissa delar eller hela ett datorchip där det skulle vara ganska enkelt att kontrollera fuktighetsnivån."

    Baserat på luftfuktigheten i kapslingen, chiptillverkare kunde reversibelt justera bandgapet för grafen till valfritt värde från 0 till 0,2 elektronvolt, sa Korarkar.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com