Du kanske har hört talas om grafen, ett ark av rent kol, en atom tjock, det är på modet i materialvetenskapliga kretsar, och får massor av mediahype också. Rapporter har utbasunerat grafen som en ultratunn, Super stark, superledande, supersmidigt material. Du kan ursäktas för att tro att det till och med kan rädda hela mänskligheten från en viss undergång.

Inte exakt. I den nuvarande världen av nanoelektronik, det händer mycket mer än bara grafen. Ett av materialen jag arbetar med, molybdendisulfid (MoS₂), är ett ettskiktsmaterial med intressanta egenskaper utöver grafenens. MoS₂ kan absorbera fem gånger så mycket synligt ljus som grafen, vilket gör den användbar i ljusdetektorer och solceller. Dessutom, även nyare material som borofen (ett ettskiktsmaterial gjort av boratomer som förväntas vara mekaniskt starkare än grafen) föreslås och syntetiseras varje dag.

Dessa och andra material som ännu inte har upptäckts kommer att användas som legobitar för att bygga framtidens elektronik. Genom att stapla flera material på olika sätt, vi kan dra nytta av olika egenskaper i var och en av dem. Den nya elektroniken byggd med dessa kombinerade strukturer kommer att vara snabbare, mindre, mer miljöbeständig och billigare än vad vi har nu.

Letar efter en energiklyfta

Det finns en viktig anledning till att grafen inte kommer att vara det mångsidiga läkemedlet som hypen kan antyda. Du kan inte bara stapla grafen flera gånger för att få det du vill ha. Den elektroniska egenskapen som förhindrar detta är avsaknaden av vad som kallas ett "energigap". (Den mer tekniska termen är "bandgap.")

Metaller leder elektricitet genom dem oavsett miljö. Dock, något annat material som inte är en metall behöver en liten energikick från utsidan för att få elektroner att röra sig genom bandgapet och in i det ledande tillståndet. Hur mycket av en boost materialet behöver kallas energigapet. Energigapet är en av faktorerna som avgör hur mycket total energi som behöver läggas i hela din elektriska enhet, från antingen värme eller pålagd elektrisk spänning, för att få den att leda elektricitet. Du måste i princip lägga i tillräckligt med startenergi om du vill att din enhet ska fungera.

Vissa material har ett gap så stort att nästan ingen mängd energi kan få elektroner att strömma genom dem. Dessa material kallas isolatorer (tänk glas). Andra material har antingen ett extremt litet gap eller inget gap alls. Dessa material kallas metaller (tänk koppar). Det är därför vi använder koppar (en metall med omedelbar ledningsförmåga) för ledningar, medan vi använder plast (en isolator som blockerar elektricitet) som skyddande yttre beläggning.

Allt annat, med luckor mellan dessa två ytterligheter, kallas en halvledare (tänk kisel). Halvledare, vid den teoretiska temperaturen absolut noll, beter sig som isolatorer eftersom de inte har någon värmeenergi för att få sina elektroner i ledande tillstånd. Vid rumstemperatur, dock, värme från den omgivande miljön ger precis tillräckligt med energi för att få några elektroner (därav termen, "halv"-ledande) över det lilla bandgapet och in i det ledande tillståndet redo att leda elektricitet.

Grafens energigap

Grafen är i själva verket en halvmetall. Den har ingen energiklyfta, vilket innebär att den alltid leder elektricitet – du kan inte stänga av dess ledningsförmåga.

Detta är ett problem eftersom elektroniska enheter använder elektrisk ström för att kommunicera. På deras mest grundläggande nivå, datorer kommunicerar genom att skicka 1:or och 0:or – på och av-signaler. Om en dators komponenter var gjorda av grafen, systemet skulle alltid vara på, överallt. Den skulle inte kunna utföra uppgifter eftersom dess brist på energigap hindrar grafen från att någonsin bli en nolla; datorn skulle fortsätta läsa 1:or hela tiden. Halvledare, däremot har ett energigap som är tillräckligt litet för att låta vissa elektroner leda elektricitet men är tillräckligt stort för att ha en tydlig distinktion mellan på och av tillstånd.

Att hitta rätt material

Allt hopp är inte ute, dock. Forskare tittar på tre huvudsakliga sätt att tackla detta:

Använda nya material som liknar grafen som faktiskt har ett tillräckligt energigap och hitta sätt att ytterligare förbättra sin ledningsförmåga. Ändra grafen själv för att skapa denna energigap. Kombinera grafen med andra material för att optimera deras kombinerade egenskaper.

Det finns många ettskiktsmaterial som för närvarande tittas på som faktiskt har ett tillräckligt energigap. Ett sådant material, MoS₂, har under senare år studerats som en potentiell ersättning för traditionellt kisel och även som ljusdetektor och gassensor.

Den enda nackdelen med dessa andra material är att hittills, vi har inte hittat någon som matchar den utmärkta ledningsförmågan hos grafen som alltid är på. De andra materialen kan stängas av, men när på, de är inte lika bra som grafen. MoS₂ i sig uppskattas ha 1/15 till 1/10 av grafenens ledningsförmåga i små enheter. Forskare, inklusive mig, tittar nu på sätt att förändra dessa material för att öka deras ledningsförmåga.

Använder grafen som ingrediens

Underligt, ett energigap i grafen kan faktiskt induceras genom modifieringar som att böja det, förvandla det till ett nanorband, att sätta in främmande kemikalier i den eller använda två lager grafen. Men var och en av dessa modifieringar kan minska grafenens ledningsförmåga eller begränsa hur den kan användas.

För att undvika specialiserade inställningar, vi kunde bara kombinera grafen med andra material. Genom att göra det här, vi kombinerar också materialens egenskaper för att få bästa möjliga nytta. Vi kunde, till exempel, uppfinna nya elektroniska komponenter som har ett material som gör att de kan stängas av eller slås på (som MoS₂) men som har grafens stora ledningsförmåga när de slås på. Nya solceller kommer att arbeta med detta koncept.

En kombinerad struktur kan till exempel, vara en solpanel gjord för tuffa miljöer:Vi skulle kunna lägga en tunn, transparent skyddsmaterial över toppen av ett mycket effektivt solfångande material, vilket i sin tur skulle kunna ligga ovanpå ett material som är utmärkt på att leda ström till ett närliggande batteri. Andra mellanlager kan innefatta material som är bra på att selektivt detektera gaser som metan eller koldioxid.

Forskare tävlar nu för att ta reda på vad den bästa kombinationen är för olika tillämpningar. Den som hittar den bästa kombinationen kommer så småningom att vinna åtskilliga rättigheter till patent för förbättrade elektroniska produkter.

Sanningen är den, fastän, vi vet inte hur vår framtida elektronik kommer att se ut. Nya legobitar uppfinns hela tiden; hur vi staplar eller ordnar om dem förändras ständigt, för. Allt som är säkert är att insidan av elektroniska enheter kommer att se drastiskt annorlunda ut i framtiden än vad de gör idag.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.