(PhysOrg.com) -- Ett samarbetsforskningsprojekt har fört världen ett steg närmare att ta fram ett nytt material som framtida nanoteknik kan baseras på. Forskare över hela Europa, inklusive Storbritanniens National Physical Laboratory (NPL), har visat hur ett otroligt material, grafen, kan hålla nyckeln till framtiden för höghastighetselektronik, som mikrochips och pekskärmsteknik.

Grafen har länge visat potential, men har tidigare endast tillverkats i mycket liten skala, begränsa hur väl det kan mätas, förstått och utvecklat. En tidning publicerad den 17 januari, i Naturens nanoteknik förklarar hur forskare har, för första gången, producerat grafen till en storlek och kvalitet där det praktiskt kan utvecklas, och framgångsrikt mätte dess elektriska egenskaper. Dessa betydande genombrott övervinner två av de största hindren för att skala upp tekniken.

En teknik för framtiden

Grafen är en relativt ny form av kol som består av ett enda lager av atomer arrangerade i ett bikakeformat gitter. Trots att den är en atom tjock och kemiskt enkel, grafen är extremt stark och mycket ledande, vilket gör den idealisk för höghastighetselektronik, fotonik och vidare.

Grafen är en stark kandidat för att ersätta halvledarchips. Moores lag konstaterar att tätheten av transistorer på en integrerad krets fördubblas vartannat år, men kisel och andra existerande transistormaterial anses vara nära minimistorleken där de kan förbli effektiva. Grafentransistorer kan potentiellt köras med högre hastigheter och klara av högre temperaturer. Grafen kan vara lösningen för att säkerställa att datorteknik fortsätter att växa i kraft samtidigt som den krymper i storlek, förlänger livslängden för Moores lag med många år.

Stora mikrochipstillverkare som IBM och Intel har öppet uttryckt intresse för grafenens potential som ett material som framtida datoranvändning kan baseras på.

Grafen har också potential för spännande nya innovationer som pekskärmsteknik, LCD-skärmar och solceller. Dess oöverträffade styrka och transparens gör den perfekt för dessa applikationer, och dess ledningsförmåga skulle ge en dramatisk ökning av effektiviteten på befintliga material.

Växer till en användbar storlek med bibehållen kvalitet

Hittills har grafen av tillräcklig kvalitet endast producerats i form av små flingor av små fraktioner av en millimeter, använda noggranna metoder som att skala av grafitkristaller med tejp. Att producera användbar elektronik kräver mycket större materialytor för att odlas. Detta projekt såg forskare, för första gången, producera och framgångsrikt driva ett stort antal elektroniska enheter från ett stort område av grafenlager (ungefär 50 mm ² ).

Grafenprovet, producerades epitaxiellt - en process för att odla ett kristallskikt på ett annat - på kiselkarbid. Att ha ett så betydande prov bevisar inte bara att det kan göras på ett praktiskt sätt, skalbart sätt, men också tillät forskarna att bättre förstå viktiga egenskaper.

Mätning av motstånd

Det andra nyckelgenombrottet i projektet var att mäta grafens elektriska egenskaper med oöverträffad precision, banar väg för att bekväma och korrekta standarder kan fastställas. För att produkter som transistorer i datorer ska fungera effektivt och vara kommersiellt gångbara, tillverkare måste kunna göra sådana mätningar med otrolig noggrannhet mot en överenskommen internationell standard.

Den internationella standarden för elektriskt motstånd tillhandahålls av Quantum Hall Effect, ett fenomen där elektriska egenskaper i 2D-material kan bestämmas endast baserat på fundamentala naturkonstanter.

Effekten har, tills nu, endast visats med tillräcklig precision i ett litet antal konventionella halvledare. Vidare, sådana mätningar kräver temperaturer nära absolut noll, kombinerat med mycket starka magnetfält, och endast ett fåtal specialiserade laboratorier i världen kan uppnå dessa villkor.

Grafen var länge tippad för att ge en ännu bättre standard, men prover var otillräckliga för att bevisa detta. Genom att producera prover av tillräcklig storlek och kvalitet, och exakt demonstrera Hall-motstånd, teamet bevisade att grafen har potentialen att ersätta konventionella halvledare i massskala.

Dessutom visar grafen Quantum Hall Effect vid mycket högre temperaturer. Detta innebär att grafenresistensstandarden kan användas mycket mer brett eftersom fler laboratorier kan uppnå de villkor som krävs för dess användning. Förutom dess fördelar med arbetshastighet och hållbarhet, detta skulle också påskynda produktionen och minska kostnaderna för framtida elektronikteknik baserad på grafen

Prof Alexander Tzalenchuk från NPL:s Quantum Detection Group och huvudförfattaren på Nature Nanotechnology-papperet konstaterar:"Det är verkligen sensationellt att ett stort område av epitaxiell grafen inte bara demonstrerade strukturell kontinuitet, men också graden av perfektion som krävs för exakta elektriska mätningar i nivå med konventionella halvledare med en mycket längre utvecklingshistorik."

Var nu?

Forskargruppen nöjer sig inte med att lämna det där. De hoppas kunna fortsätta med att demonstrera ännu mer exakt mätning, samt noggrann mätning vid ännu högre temperaturer. De söker för närvarande EU-medel för att driva detta framåt.

Dr JT Janssen, en NPL-stipendiat som arbetade med projektet, sa:"Vi har lagt grunden för framtiden för grafenproduktion, och kommer i vår pågående forskning att sträva efter att ge större förståelse för detta spännande material. Utmaningen för industrin de kommande åren blir att skala upp materialet på ett praktiskt sätt för att möta nya tekniska krav. Vi har tagit ett stort steg framåt, och när tillverkningsprocesserna är på plats, vi hoppas att grafen kommer att erbjuda världen ett snabbare och billigare alternativ till konventionella halvledare".

Quantum Hall-effekten

Detta uppträder där en elektrisk ström flyter genom ett tvådimensionellt material i ett vinkelrätt magnetfält och spänningen i materialet mäts vinkelrätt mot både strömflödet och fältet. Inom vissa periodiska intervall av fältet, förhållandet mellan denna tvärspänning och strömmen, känd som Hall-motståndet, bestäms endast av en känd kombination av naturens grundkonstanter - Plancks konstant h och elektronladdningen e.

På grund av denna universalitet, Quantum Hall-effekten utgör grunden för resistensstandarden i princip oberoende av ett visst prov, material eller mätuppställning.

Quantum Hall-effekten har, tills nu, endast noggrant demonstrerats med tillräcklig precision i ett litet antal konventionella halvledare, såsom Si och grupp III-V heterostrukturer. På grund av dess unika elektroniska struktur, grafen var länge tippad för att ge en ännu bättre standard, men den lilla storleken på grafenflingor och otillräcklig kvalitet på tidiga grafenfilmer gjorde det inte möjligt att utföra exakta mätningar.