Transistorer baserade på kol snarare än kisel skulle potentiellt kunna öka datorernas hastighet och sänka deras strömförbrukning mer än tusen gånger – tänk på en mobiltelefon som håller laddningen i månader – men uppsättningen verktyg som behövs för att bygga fungerande kolkretsar har varit ofullständig fram tills nu.

Ett team av kemister och fysiker vid University of California, Berkeley, har äntligen skapat det sista verktyget i verktygslådan, en metalltråd helt gjord av kol, lägger grunden för en upptrappning av forskningen för att bygga kolbaserade transistorer och, i sista hand, datorer.

"Att hålla sig inom samma material, inom området för kolbaserade material, är det som sammanför denna teknik nu, sa Felix Fischer, UC Berkeley professor i kemi, noterar att möjligheten att göra alla kretselement av samma material gör tillverkningen lättare. "Det har varit en av de viktigaste sakerna som har saknats i den stora bilden av en helt kolbaserad integrerad kretsarkitektur."

Metalltrådar - som de metalliska kanalerna som används för att ansluta transistorer i ett datorchip - transporterar elektricitet från enhet till enhet och kopplar samman de halvledande elementen i transistorer, datorernas byggstenar.

UC Berkeley-gruppen har arbetat i flera år med hur man gör halvledare och isolatorer av grafen nanoband, som är smala, endimensionella remsor av atomtjock grafen, en struktur helt sammansatt av kolatomer arrangerade i ett sammankopplat hexagonalt mönster som liknar kycklingnät.

Den nya kolbaserade metallen är också ett grafen nanoband, men designad med ett öga mot att leda elektroner mellan halvledande nanoband i transistorer helt kol. De metalliska nanorbanden byggdes genom att montera dem från mindre identiska byggstenar:en nedifrån och upp-strategi, sa Fischers kollega, Michael Crommie, en UC Berkeley professor i fysik. Varje byggsten bidrar med en elektron som kan flöda fritt längs nanorbandet.

Medan andra kolbaserade material – som utökade 2D-ark av grafen och kolnanorör – kan vara metalliska, de har sina problem. Omforma ett 2D-ark av grafen till remsor i nanometerskala, till exempel, förvandlar dem spontant till halvledare, eller till och med isolatorer. Kolnanorör, som är utmärkta ledare, kan inte förberedas med samma precision och reproducerbarhet i stora mängder som nanoband.

"Nanoribbons tillåter oss att kemiskt komma åt ett brett utbud av strukturer genom att använda bottom-up-tillverkning, något som ännu inte är möjligt med nanorör, ", sa Crommie. "Detta har gjort det möjligt för oss att i princip sy ihop elektroner för att skapa ett metalliskt nanoband, något som inte gjorts tidigare. Det här är en av de stora utmaningarna inom området för grafen nanorribbon-teknik och varför vi är så exalterade över det."

Metalliska grafen nanoband – som har en bred, delvis fyllt elektroniskt band som är karakteristiskt för metaller - bör vara jämförbart i konduktans med 2-D grafen själv.

"Vi tycker att metalltrådarna verkligen är ett genombrott; det är första gången som vi avsiktligt kan skapa en ultrasmal metallisk ledare - en bra, egenledare – av kolbaserade material, utan behov av extern doping, " tillade Fischer.

Crommie, Fischer och deras kollegor vid UC Berkeley och Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kommer att publicera sina resultat i numret av tidskriften den 25 september Vetenskap .

Justerar topologin

Kiselbaserade integrerade kretsar har drivit datorer i årtionden med ständigt ökande hastighet och prestanda, enligt Moores lag, men de når sin hastighetsgräns – dvs. hur snabbt de kan växla mellan nollor och ettor. Det blir också svårare att minska strömförbrukningen; datorer använder redan en betydande del av världens energiproduktion. Kolbaserade datorer skulle potentiellt kunna byta många gånger snabbare än silikondatorer och bara använda bråkdelar av strömmen, sa Fischer.

grafen, som är rent kol, är en ledande utmanare för dessa nästa generation, kolbaserade datorer. Smala remsor av grafen är i första hand halvledare, dock, och utmaningen har varit att få dem också att fungera som isolatorer och metaller – motsatta ytterligheter, helt icke ledande och fullständigt ledande, respektive — för att konstruera transistorer och processorer helt av kol.

Många år sedan, Fischer och Crommie slog sig ihop med den teoretiska materialforskaren Steven Louie, en UC Berkeley professor i fysik, att upptäcka nya sätt att koppla ihop små längder av nanoband för att på ett tillförlitligt sätt skapa hela skalan av ledande egenskaper.

Två år sedan, teamet visade att genom att koppla samman korta segment av nanoband på rätt sätt, elektroner i varje segment skulle kunna arrangeras för att skapa ett nytt topologiskt tillstånd - en speciell kvantvågsfunktion - vilket leder till avstämbara halvledande egenskaper.

I det nya verket, de använder en liknande teknik för att sy ihop korta segment av nanoband för att skapa en ledande metalltråd som är tiotals nanometer lång och knappt en nanometer bred.

Nanobanden skapades kemiskt och avbildades på mycket plana ytor med hjälp av ett scanningstunnelmikroskop. Enkel värme användes för att få molekylerna att kemiskt reagera och förenas på precis rätt sätt. Fischer jämför monteringen av kedjade byggstenar med en uppsättning Legos, men lego designade för att passa på atomär skala.

"De är alla exakt konstruerade så att det bara finns ett sätt att de kan passa ihop. Det är som om du tar en påse lego, och du skakar den, och ut kommer en färdigmonterad bil, " sa han. "Det är magin med att kontrollera självmonteringen med kemi."

När det väl är monterat, det nya nanobandets elektroniska tillstånd var en metall – precis som Louie förutspådde – med varje segment som bidrog med en enda ledande elektron.

Det slutliga genombrottet kan tillskrivas en liten förändring i nanorbandsstrukturen.

"Med hjälp av kemi, vi skapade en liten förändring, en förändring av bara en kemisk bindning per ungefär var 100:e atom, men som ökade nanobandets metallicitet med en faktor 20, och det är viktigt, ur praktisk synvinkel, för att göra detta till en bra metall, sa Crommie.

De två forskarna arbetar med elingenjörer vid UC Berkeley för att sätta ihop sin verktygslåda av halvledande, isolerande och metalliska grafen nanorband till fungerande transistorer.

"Jag tror att den här tekniken kommer att revolutionera hur vi bygger integrerade kretsar i framtiden, " Sa Fischer. "Det borde ta oss ett stort steg upp från den bästa prestanda som kan förväntas från kisel just nu. Vi har nu en väg för att få tillgång till snabbare växlingshastigheter till mycket lägre energiförbrukning. Det är det som driver strävan mot en kolbaserad elektronikhalvledarindustri i framtiden."