Sedan upptäckten, grafen - ett ovanligt och mångsidigt ämne som består av ett enskiktigt kristallgitter av kolatomer - har orsakat mycket spänning i det vetenskapliga samfundet. Nu, Nongjian(NJ) Tao, en forskare vid Biodesign Institute vid Arizona State University har hittat på ett nytt sätt att tillverka grafen, maximera materialets enorma potential, speciellt för användning i höghastighets elektroniska enheter.

Tillsammans med medarbetare från Tysklands Max Planck-institut, Institutionen för materialvetenskap och teknik, University of Utah, och Tsinghua University, Peking, Tao skapade en grafentransistor bestående av 13 bensenringar.

Molekylen, känd som en koronen, visar ett förbättrat elektroniskt bandgap, en egenskap som kan hjälpa till att övervinna ett av de centrala hindren för att tillämpa grafenteknik för elektronik. Gruppens arbete visas i det avancerade onlinenumret den 29 juni av Naturkommunikation .

Så småningom, grafenkomponenter kan hitta vägen till ett brett utbud av produkter, från lasrar till ultrasnabba datorchips; ultrakondensatorer med oöverträffade lagringsmöjligheter; verktyg för mikrobiell upptäckt och diagnos; fotovoltaiska celler; kvantdatorapplikationer och många andra.

Som namnet antyder, grafen är nära besläktat med grafit. Varje gång en penna ritas över en sida, små fragment av grafen fälls. När den förstoras ordentligt, ämnet liknar en kycklingnät i atomär skala. Ark av materialet har exceptionella elektroniska och optiska egenskaper, vilket gör den mycket attraktiv för olika applikationer.

"Grafen är ett fantastiskt material, gjord av kolatomer kopplade i en bikakestruktur, "Tao säger, pekar på grafens enorma elektriska rörlighet – den lätthet med vilken elektroner kan flöda genom materialet. En sådan hög rörlighet är en kritisk parameter för att bestämma hastigheten för komponenter som transistorer.

Producerar dock användbara mängder grafen, kan vara knepigt. Tills nu, två metoder har gynnats, en där enskiktsgrafen skalas från ett flerskiktsark av grafit, med hjälp av tejp och den andra, där kristaller av grafen odlas på ett substrat, såsom kiselkarbid.

I varje fall, en inneboende egenskap hos grafen måste övervinnas för att materialet ska vara lämpligt för en transistor. Som Tao förklarar, "en transistor är i grunden en omkopplare - du slår på eller av den. En grafentransistor är väldigt snabb men på/av-förhållandet är väldigt litet." Detta beror på det faktum att utrymmet mellan valens- och ledningsbanden i materialet – eller bandgap som det kallas – är noll för grafen.

För att förstora bandgapet och förbättra materialets på/av-förhållande, större ark grafen kan skäras ner till nanoskala. Detta har effekten att öppna gapet mellan valens- och konduktansband och förbättra på/av-förhållandet, även om en sådan storleksminskning kostar. Processen är mödosam och tenderar att introducera oregelbundenheter i form och föroreningar i kemisk sammansättning, som något försämrar grafenens elektriska egenskaper. "Detta kanske inte riktigt är en hållbar lösning för massproduktion, " konstaterar Tao.

Snarare än en uppifrån och ned-strategi där ark av grafen reduceras till en lämplig storlek för att fungera som transistorer, Taos tillvägagångssätt är nedifrån och upp – att bygga upp grafen, molekylär bit för bit. Att göra detta, Tao förlitar sig på den kemiska syntesen av bensenringar, hexagonala strukturer, var och en bildad av 6 kolatomer. "Bensen är vanligtvis ett isolerande material, " säger Tao. Men när fler sådana ringar sammanfogas, materialets beteende blir mer som en halvledare.

Genom att använda denna process, gruppen kunde syntetisera en koronenmolekyl, bestående av 13 bensenringar arrangerade i en väldefinierad form. Molekylen försågs sedan på vardera sidan med länkgrupper - kemiska bindemedel som gör att molekylen kan fästas på elektroder, bildar en krets i nanoskala. En elektrisk potential leddes sedan genom molekylen och beteendet, observerade. Den nya strukturen visade transistoregenskaper, visar reversibla på och av-knappar.

Tao påpekar att processen för kemisk syntes tillåter finjustering av strukturer i termer av ideal storlek, form och geometrisk struktur, vilket gör det fördelaktigt för kommersiell massproduktion. Grafen kan också göras fritt från defekter och föroreningar, därigenom minskar elektrisk spridning och ger material med maximal rörlighet och bärhastighet, idealisk för höghastighetselektronik.

I konventionella enheter, motståndet är proportionellt mot temperaturen, men i grafentransistorerna av Tao et al., elektronrörlighet beror på kvanttunnelering, och förblir temperaturoberoende - en signatur för koherent process.

Gruppen tror att de kommer att kunna förstora grafenstrukturerna genom kemisk syntes till kanske hundratals ringar, samtidigt som ett tillräckligt bandgap upprätthålls för att möjliggöra växlingsbeteende. Forskningen öppnar många möjligheter för framtida kommersialisering av detta ovanliga material, och dess användning i en ny generation av ultrahöghastighetselektronik.