grafen, ett enatoms tjockt gitter av kolatomer, ropas ofta som ett revolutionerande material som kommer att ta kiselns plats i hjärtat av elektroniken. Den oöverträffade hastigheten med vilken den kan flytta elektroner, plus dess väsentligen tvådimensionella formfaktor, göra det till ett attraktivt alternativ, men flera hinder för dess antagande kvarstår.

Ett team av forskare från University of Pennsylvania; University of California, Berkeley; och University of Illinois i Urbana-Champaign har gjort inbrytningar för att lösa ett sådant hinder. Genom att demonstrera ett nytt sätt att ändra mängden elektroner som finns i en viss region inom en bit grafen, de har ett bevis på principen när det gäller att göra de grundläggande byggstenarna i halvledarenheter med hjälp av 2D-materialet.

Dessutom, deras metod gör det möjligt att justera detta värde genom applicering av ett elektriskt fält, vilket betyder att grafenkretselement gjorda på detta sätt en dag kan "kopplas om" dynamiskt utan att fysiskt ändra enheten.

Studien var ett samarbete mellan grupperna av Andrew Rappe på Penn, Lane Martin vid UC Berkeley och Moonsub Shim i Illinois.

Det publicerades i tidskriften Naturkommunikation .

Kisel används för att tillverka kretselement eftersom dess laddningsbärardensitet, antalet fria elektroner den innehåller, kan lätt ökas eller minskas genom att tillsätta kemiska föroreningar. Denna "dopningsprocess" resulterar i "p-typ" och "n-typ" halvledare, kisel som har antingen fler positiva eller mer negativa laddningsbärare.

Kopplingarna mellan halvledare av p- och n-typ är byggstenarna i elektroniska enheter. Sätt ihop i sekvens, dessa p-n-övergångar bildar transistorer, som i sin tur kan kombineras till integrerade kretsar, mikrochips och processorer.

Kemisk dopning av grafen för att uppnå p- och n-typ version av materialet är möjligt, men det innebär att offra några av dess unika elektriska egenskaper. En liknande effekt är möjlig genom att applicera lokala spänningsförändringar på materialet, men att tillverka och placera de nödvändiga elektroderna förnekar fördelarna med grafenens formfaktor.

"Vi har kommit på en icke-förstörande, reversibelt sätt att dopa, " sa Rappe, "det innebär inga fysiska förändringar av grafenet."

Teamets teknik går ut på att deponera ett lager grafen så att det vilar på, men binder sig inte till, ett andra material:litiumniobat. Litiumniobat är ferroelektriskt, vilket betyder att det är polärt, och dess ytor har antingen en positiv eller negativ laddning. Att applicera en elektrisk fältpuls kan ändra tecknet på ytladdningarna.

"Det är en instabil situation, " sa Rappe, "i det att den positivt laddade ytan kommer att vilja ackumulera negativa laddningar och vice versa. För att lösa den obalansen, du kan ha andra joner som kommer in och binder eller få oxiden att förlora eller få elektroner för att eliminera dessa laddningar, men vi har kommit på ett tredje sätt.

"Här har vi grafen stående, på oxidens yta men inte binder till den. Nu, om oxidytan säger, "Jag önskar att jag hade mer negativ laddning, ' istället för att oxiden samlar joner från miljön eller tar emot elektroner, grafenen säger 'Jag kan hålla elektronerna åt dig, och de kommer att vara i närheten.'"

Rappe föreslog att man skulle använda litiumniobat, eftersom det redan är vanligt förekommande inom optisk teknik och har egenskaper som skulle lämpa sig för att skapa p-n-övergångar. Forskarna utnyttjade det faktum att en viss typ av material, periodiskt polad litiumniobat, är tillverkad så att den har "ränder" av polära områden som växlar mellan positiva och negativa.

"Eftersom litiumniobatdomänerna kan diktera egenskaperna, "Shim sa, "olika regioner av grafen kan anta olika karaktär beroende på arten av domänen under. Det tillåter, som vi har visat, ett enkelt sätt att skapa en p-n-korsning eller till och med en uppsättning p-n-övergångar på en enda grafenflaka. En sådan förmåga borde underlätta framsteg inom grafen som kan vara analoga med vad p-n-övergångar och komplementära kretsar har gjort för den nuvarande toppmoderna halvledarelektroniken.

"Det som är ännu mer spännande är att möjliggöra optoelektronik med grafen och möjligheten att vågleda, linsa och periodvis manipulera elektroner inneslutna i ett atomärt tunt material."

Deras experiment involverade också att lägga till en enda grind till enheten, vilket gjorde att dess totala bärartäthet kunde justeras ytterligare genom applicering av olika spänningar.

Genom att ta hänsyn till hur oxiden balanserar ut sina ytladdningar på egen hand, eller genom att binda joner från vattenlösningen, forskarna kunde visa sambandet mellan oxidens polarisering och laddningsbärardensiteten hos grafenen som hängde över den.

Och eftersom oxidpolarisationen lätt kan ändras, Typen och omfattningen av stödd grafendopning kan ändras samtidigt.

"Du kan komma med en spets som producerar ett visst elektriskt fält, och bara genom att placera den nära oxiden kan du ändra dess polaritet, " sa Martin. "Du skriver en "upp"-domän eller en "ned"-domän i den region du vill ha den, och grafenens laddningstäthet skulle återspegla den förändringen. Du kan göra grafen över den regionen p-typ eller n-typ, och, om du ändrar dig, du kan radera den och börja om."

Denna förmåga skulle representera en fördel jämfört med kemiskt dopade halvledare. När de atomära föroreningarna väl har blandats in i materialet för att ändra dess bärardensitet, de kan inte tas bort. Framtida forskning kommer att undersöka möjligheten att designa dynamiska halvledande enheter med denna teknik.

"Vi kan inte göra det för närvarande, men det är den riktningen vi vill ta det, " sa Rappe, "Det finns några oxider som kan repolariseras på en tidsskala av nanosekunder, så du kan göra några riktigt dynamiska ändringar om du behövde. Det här öppnar upp för många möjligheter."