• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Ett tunt lager germanium kan ersätta kisel i halvledare

    Grundämnet germanium i sitt naturliga tillstånd. Forskare vid Ohio State University har utvecklat en teknik för att göra en-atomtjocka ark av germanium för eventuell användning i elektronik. Kredit:Joshua Goldberger, Ohio State University

    (Phys.org) – Samma material som bildade de första primitiva transistorerna för mer än 60 år sedan kan modifieras på ett nytt sätt för att främja framtida elektronik, enligt en ny studie.

    Kemister vid Ohio State University har utvecklat tekniken för att göra en enatoms tjock skiva av germanium, och fann att det leder elektroner mer än tio gånger snabbare än kisel och fem gånger snabbare än konventionellt germanium.

    Materialets struktur är nära besläktad med grafen - ett mycket omtalat tvådimensionellt material som består av enkla lager av kolatomer. Som sådan, grafen visar unika egenskaper jämfört med dess vanligare flerskiktiga motsvarighet, grafit. Grafen har ännu inte använts kommersiellt, men experter har föreslagit att det en dag skulle kunna bilda snabbare datorchips, och kanske till och med fungera som en supraledare, så många labb arbetar med att utveckla det.

    Joshua Goldberger, biträdande professor i kemi vid Ohio State, bestämde sig för att ta en annan riktning och fokusera på mer traditionella material.

    "De flesta människor tänker på grafen som framtidens elektroniska material, ", sade Goldberger. "Men kisel och germanium är fortfarande dagens material. Sextio år av hjärnkraft har gått åt till att utveckla tekniker för att göra chips av dem. Så vi har letat efter unika former av kisel och germanium med fördelaktiga egenskaper, för att få fördelarna med ett nytt material men med mindre kostnad och med hjälp av befintlig teknik."

    I en artikel publicerad online i tidskriften ACS Nano , han och hans kollegor beskriver hur de kunde skapa ett stall, ett enda lager germaniumatomer. I denna form, det kristallina materialet kallas germanan.

    Forskare har försökt skapa germanane tidigare. Det är första gången någon har lyckats odla tillräckliga mängder av det för att mäta materialets egenskaper i detalj, och visa att den är stabil när den utsätts för luft och vatten.

    I naturen, germanium tenderar att bilda flerskiktade kristaller i vilka varje atomskikt är sammanbundet; enkelatomskiktet är normalt instabilt. För att komma runt detta problem, Goldbergers team skapade flerskiktiga germaniumkristaller med kalciumatomer inklämda mellan lagren. Sedan löste de upp kalciumet med vatten, och stoppade de tomma kemiska bindningarna som lämnades kvar med väte. Resultatet:de kunde skala av enskilda lager germanane.

    Översållad med väteatomer, germanan är ännu mer kemiskt stabilt än traditionellt kisel. Det oxiderar inte i luft och vatten, som kisel gör. Det gör germanane lätt att arbeta med med hjälp av konventionella chiptillverkningstekniker.

    Det primära som gör germanane önskvärt för optoelektronik är att det har vad forskare kallar ett "direkt bandgap, " vilket betyder att ljus lätt absorberas eller sänds ut. Material som konventionellt kisel och germanium har indirekta bandgap, vilket innebär att det är mycket svårare för materialet att absorbera eller avge ljus.

    "När du försöker använda ett material med ett indirekt bandgap på en solcell, du måste göra den ganska tjock om du vill ha tillräckligt med energi att passera genom den för att vara användbar. Ett material med ett direkt bandgap kan göra samma jobb med en bit material som är 100 gånger tunnare, " sa Goldberger.

    De första transistorerna någonsin tillverkades av germanium i slutet av 1940-talet, och de var ungefär lika stora som en miniatyrbild. Även om transistorer har blivit mikroskopiska sedan dess - med miljontals av dem packade i varje datorchip - har germanium fortfarande potential att utveckla elektronik, studien visade.

    Enligt forskarnas beräkningar elektroner kan röra sig genom germanan tio gånger snabbare genom kisel, och fem gånger snabbare än genom konventionellt germanium. Hastighetsmätningen kallas elektronmobilitet.

    Med sin höga rörlighet, germanane skulle därmed kunna bära den ökade belastningen i framtida kraftfulla datorchips.

    "Mobilitet är viktigt, eftersom snabbare datorchips bara kan göras med snabbare mobilitetsmaterial, ", sa Golberger. "När du krymper transistorer till små skalor, du måste använda material med högre rörlighet annars fungerar inte transistorerna, ", förklarade Goldberger.

    Nästa, teamet kommer att utforska hur man kan ställa in egenskaperna hos germanan genom att ändra konfigurationen av atomerna i det enda lagret.


    © Vetenskap http://sv.scienceaq.com