Grafen har kallats ett undermaterial, kapabel att utföra stor och ovanlig materialakrobatik. Bornitrid nanorör är inga slackers på materialområdet heller, och kan konstrueras för fysiska och biologiska tillämpningar. Dock, själva, dessa material är fruktansvärda för användning i elektronikvärlden. Som dirigent, grafen låter elektroner bli för snabbt – det finns ingen kontroll eller stoppa dem – medan bornitridnanorör är så isolerande att elektroner stöts bort som en överivrig hund som slår in i altandörren.

Men tillsammans, dessa två material gör en fungerande digital switch, som är grunden för att kontrollera elektroner i datorer, telefoner, medicinsk utrustning och annan elektronik.

Ok Khin Yap, professor i fysik vid Michigan Technological University, har arbetat med ett forskarteam som skapade dessa digitala switchar genom att kombinera grafen och bornitrid nanorör. Journalen Vetenskapliga rapporter nyligen publicerat sitt arbete.

"Frågan är:Hur smälter man samman dessa två material?" Yap säger. Nyckeln är att maximera deras befintliga kemiska strukturer och utnyttja deras oöverensstämmande egenskaper.

Tweaks i nanoskala

Grafen är ett molekyltjockt ark av kolatomer; nanorören är som sugrör gjorda av bor och kväve. Yap och hans team exfolierar grafen och modifierar materialets yta med små nålhål. Sedan kan de växa nanorören upp och genom hålen. Sammanfogade så här, materialet ser ut som en barkflagga som spirar oregelbundet, tunna hårstrån.

"När vi sätter ihop dessa två utomjordingar, vi skapar något bättre, "Japp säger, förklarar att det är viktigt att materialen har sneda bandgap, eller skillnader i hur mycket energi som krävs för att excitera en elektron i materialet. "När vi sätter ihop dem, du bildar en bandgap som inte matchar - som skapar en så kallad "potentialbarriär" som stoppar elektroner."

Bandgapets oöverensstämmelse beror på materialens struktur:grafens platta ark leder elektricitet snabbt, och atomstrukturen i nanorören stoppar elektriska strömmar. Denna skillnad skapar en barriär, orsakas av skillnaden i elektronrörelse när strömmar rör sig bredvid och förbi de hårliknande bornitridnanorören. Dessa kontaktpunkter mellan materialen - kallade heterojunctions - är det som gör den digitala på/av-knappen möjlig.

"Föreställ dig att elektronerna är som bilar som kör över en slät bana, " säger Yap. "De cirklar runt och runt, men så kommer de till en trappa och tvingas stanna."

Yap och hans forskargrupp har också visat att eftersom materialen är så effektiva för att leda eller stoppa elektricitet, det resulterande växlingsförhållandet är högt. Med andra ord, hur snabbt materialen kan slås på och av är flera storleksordningar större än nuvarande grafenbrytare. I tur och ordning, denna hastighet kan så småningom öka takten inom elektronik och datoranvändning.

Lösning av halvledardilemmat

För att komma till snabbare och mindre datorer en dag, Yap säger att denna studie är en fortsättning på tidigare forskning om att göra transistorer utan halvledare. Problemet med halvledare som kisel är att de bara kan bli så små, och de avger mycket värme; användningen av grafen och nanorör kringgår dessa problem. Dessutom, nanorören av grafen och bornitrid har samma atomarrangemang, eller gittermatchning. Med sina inriktade atomer, de digitala omkopplarna av grafen-nanorör skulle kunna undvika problemen med elektronspridning.

"Du vill styra riktningen för elektronerna, "Yap förklarar, jämföra utmaningen med ett flipperspel som fångar, saktar ner och omdirigerar elektroner. "Det här är svårt i höghastighetsmiljöer, och elektronspridningen minskar antalet och hastigheten på elektroner."

Ungefär som en arkadentusiast, Yap säger att han och hans team kommer att fortsätta att försöka hitta sätt att överlista eller ändra flipperuppsättningen av grafen för att minimera elektronspridning. Och en dag, alla deras justeringar skulle kunna ge snabbare datorer – och digitala flipperspel – för oss andra.