Ett team av forskare från University of California, Riversides Bourns College of Engineering har löst ett problem som tidigare utgjorde ett allvarligt hinder för användningen av grafen i elektroniska enheter.

Svepelektronmikroskopibild av grafenanordning som användes i studien. Skalstången är en mikrometer. UCR-logotypen bredvid den är implementerad med etsad grafen.

Grafen är en enatoms tjock kolkristall med unika egenskaper som är fördelaktiga för elektronik, inklusive extremt hög elektronrörlighet och fonon värmeledningsförmåga. Dock, grafen har inget energibandgap, vilket är en specifik egenskap hos halvledarmaterial som separerar elektroner från hål och gör att en transistor implementerad med ett givet material kan stängas av helt.

En transistor implementerad med grafen kommer att vara mycket snabb men kommer att drabbas av läckströmmar och effektförlust när den är avstängd på grund av frånvaron av energibandgapet. Ansträngningar att inducera ett bandgap i grafen via kvantinneslutning eller ytfunktionalisering har inte resulterat i något genombrott. Det fick forskare att undra om grafentillämpningar i elektroniska kretsar för informationsbehandling var genomförbara.

UC Riverside-teamet – Alexander Balandin och Roger Lake, både elektroteknikprofessorer, Alexander Khitun, en adjungerad professor i elektroteknik, och Guanxiong Liu och Sonia Ahsan, som båda tog sin doktorsexamen från UC Riverside när de arbetade med denna forskning – har eliminerat det tvivel.

"De flesta forskare har försökt ändra grafen för att göra det mer som konventionella halvledare för tillämpningar i logiska kretsar, ", sa Balandin. "Detta leder vanligtvis till försämring av grafenegenskaper. Till exempel, försök att inducera ett energibandgap resulterar vanligtvis i minskad elektronmobilitet samtidigt som det inte leder till tillräckligt stort bandgap."

"Vi bestämde oss för att ta ett alternativt tillvägagångssätt, " sa Balandin. "Istället för att försöka ändra grafen, vi ändrade hur informationen behandlas i kretsarna."

UCR-teamet visade att den negativa differentialresistansen som observerats experimentellt i grafenfälteffekttransistorer möjliggör konstruktion av livskraftiga icke-booleska beräkningsarkitekturer med grafen utan gap. Den negativa differentialresistansen – observerad under vissa förspänningsscheman – är en inneboende egenskap hos grafen som är ett resultat av dess symmetriska bandstruktur. Den avancerade versionen av uppsatsen med UCR-resultat kan nås på http://arxiv.org/abs/1308.2931.

Modern digital logik, som används i datorer och mobiltelefoner, är baserad på boolesk algebra implementerad i halvledarswitchbaserade kretsar. Den använder nollor och ettor för att koda och bearbeta informationen. Dock, den booleska logiken är inte det enda sättet att bearbeta information. UC Riverside-teamet föreslog att använda specifika ström-spänningsegenskaper hos grafen för att konstruera den icke-booleska logikarkitekturen, som utnyttjar principerna för de icke-linjära nätverken.

Grafentransistorerna för denna studie byggdes och testades av Liu vid Balandin's Nano-Device Laboratory vid UC Riverside. De fysiska processerna som leder till ovanliga elektriska egenskaper simulerades med hjälp av atomistiska modeller av Ahsan, som arbetade under sjön. Khitun tillhandahöll expertis om icke-booleska logikarkitekturer.

Den atomistiska modelleringen som utfördes i Lakes grupp visar att den negativa differentialresistansen inte bara uppträder i grafenenheter i mikroskopisk storlek utan också på nanometerskala, vilket skulle möjliggöra tillverkning av extremt små och lågeffektkretsar.

Det föreslagna tillvägagångssättet för grafenkretsar presenterar en konceptuell förändring i grafenforskningen och indikerar en alternativ väg för grafens tillämpningar i informationsbehandling enligt UC Riverside-teamet.