Forskare gör framsteg med att skapa digitala transistorer med hjälp av ett material som kallas grafen, potentiellt kringgå ett hinder som anses dramatiskt begränsa materialets användning i datorer och hemelektronik.

Grafen är ett enatomtjockt lager av kol som leder elektricitet med lite motstånd eller värmeutveckling. Efter upptäckten 2004 - som fick ett Nobelpris i fysik - utsågs den som en potentiell ersättning för kisel, vilket möjligen leder till ultrasnabba enheter med förenklade kretsar som kan vara billigare att tillverka.

Dock, grafenens lyster har mattats under de senaste åren för digitala tillämpningar eftersom forskare har upptäckt att det inte har något "bandgap, "en egenskap som behövs för att slå på och av, vilket är avgörande för digitala transistorer.

"Det faktum att grafen är ett material med nollbandsgap av naturen har väckt många frågor när det gäller dess användbarhet för digitala applikationer, " sa Purdue doktorand Hong-Yan Chen.

Elektroner i halvledare som kisel finns på två energinivåer, kända som valens- och ledningsbanden. Energigapet mellan dessa två nivåer kallas bandgapet. Att ha rätt bandgap gör det möjligt för transistorer att slå på och av, som tillåter digitala kretsar att lagra information i binär kod bestående av sekvenser av ettor och nollor.

Chen har lett ett team av forskare i att skapa en ny typ av grafenväxelriktare, en kritisk byggsten för digitala transistorer. Andra forskare har skapat grafenväxelriktare, men de måste opereras vid 77 grader Kelvin, vilket är minus 196 Celsius (minus 320 Fahrenheit).

"Om grafen kunde användas i digitala applikationer, det skulle vara riktigt viktigt, sa Chen, som arbetar med Joerg Appenzeller, en professor i elektro- och datorteknik och vetenskaplig chef för nanoelektronik vid Purdues Birck Nanotechnology Center.

Purdue-forskarna är de första att skapa grafenväxelriktare som arbetar vid rumstemperatur och har en förstärkning större än en, ett grundläggande krav för digital elektronik som gör det möjligt för transistorer att förstärka signaler och styra dess omkoppling från 0 till 1.

Fynden beskrevs i ett papper, "Graphene-växelriktare av komplementär typ som arbetar vid rumstemperatur, " presenterades i juni under 2011 års Device Research Conference i Santa Barbara, Calif.

Hittills har grafentransistorer endast varit praktiska för specialiserade tillämpningar, såsom förstärkare för mobiltelefoner och militära system. Dock, de nya växelriktarna representerar ett steg mot att lära sig hur man använder materialet för att skapa grafentransistorer för bredare digitala tillämpningar som inkluderar datorer och hemelektronik.

För att skapa elektroniska enheter, kisel är impregnerat med föroreningar för att ändra dess halvledande egenskaper. Sådan "dopning" är inte lätt att applicera på grafen. Dock, forskarna har potentiellt löst detta problem genom att utveckla "elektrostatisk dopning, " vilket gör det möjligt för grafenväxelriktare att efterlikna egenskaperna hos kiselväxelriktare.

Elektrostatisk dopning induceras genom det elektriska fältet mellan metallgrindar, som ligger 40 nanometer från grafenkanalerna. Dopningen kan ändras genom att variera spänningen, gör det möjligt för forskare att testa specifika dopingnivåer.

"Detta kommer att göra det möjligt för oss att hitta den söta platsen för att använda enheten, " sa Chen.

Ytterligare arbete kommer att behövas för att integrera prototypen i en fungerande grafenkrets för digitala applikationer.