En internationell samarbetsstudie med forskare från Tel Aviv University (TAU), presenterade en ny metod för att odla ultralånga och ultrasmala remsor av grafen (ett derivat av grafit), som uppvisar halvledande egenskaper som kan utnyttjas av nanoelektronikindustrin . Forskarna tror att utvecklingen kan ha många potentiella tekniska tillämpningar, inklusive avancerade växlingsenheter, spintroniska enheter och i framtiden till och med kvantberäkningsarkitekturer.
Studien genomfördes under ledning av ett internationellt forskarlag som inkluderade professor Michael Urbakh och prof. Oded Hod från TAU:s School of Chemistry, samt forskare från Kina, Sydkorea och Japan. Studien publicerades i tidskriften Nature .
Prof. Urbakh och Prof. Hod förklarar att grafen faktiskt är ett enda lager grafit gjord av kolatomer och byggd liknande formen av en bikupa. Grafen är mycket lämpligt för tekniskt bruk.
Förutom dess extraordinära mekaniska styrka har ytterligare egenskaper upptäckts under de senaste åren avseende vissa strukturer gjorda av ett litet antal vridna (lateralt roterade i förhållande till varandra) grafenlager. Dessa egenskaper inkluderar supraledning, spontan elektrisk polarisation, kontrollerad värmeledning och strukturell supersmörjhet – ett tillstånd där material uppvisar försumbar friktion och slitage.
En av begränsningarna för användningen av grafen inom elektronikindustrin är att det är en halvmetall, nämligen att laddningsbärare kan röra sig fritt i den, men deras densitet är mycket låg. Därför kan grafen inte användas vare sig som en ledande metall eller som en halvledare som används av elektronikindustrin.
Men om långa och tunna remsor av grafen (kallade grafen-nanorband) skärs ut ur ett brett grafenark, blir kvantladdningsbärarna begränsade inom den smala dimensionen, vilket gör dem halvledande och möjliggör användning av dem i kvantomkopplingsanordningar. Från och med idag finns det ett antal hinder för att använda grafen nanoband i enheter, bland dem är utmaningen att reproducerbart växa smala och långa ark som är isolerade från miljön.
I denna nya studie kunde forskarna utveckla en metod för att katalytiskt odla smala, långa och reproducerbara grafennanorband direkt i isolerande hexagonala bornitridstaplar, samt demonstrera toppprestanda i kvantomkopplingsenheter baserade på de nyväxta banden . Den unika tillväxtmekanismen avslöjades med hjälp av avancerade simuleringsverktyg för molekylär dynamik som utvecklades och implementerades av de israeliska teamen.
Dessa beräkningar visade att ultralåg friktion i vissa tillväxtriktningar inom bornitridkristallen dikterar reproducerbarheten av bandets struktur, vilket gör att det kan växa till oöverträffade längder direkt i en ren och isolerad miljö.
Forskarna ser utvecklingen som ett vetenskapligt och tekniskt genombrott inom området nanomaterial, ett som förväntas öppna dörren till ett brett spektrum av studier som kommer att leda till deras användning inom nanoelektronikindustrin.
Prof. Urbakh och Prof. Hod sammanfattar, "Viktigheten av denna nya utveckling är att det för första gången nu är möjligt att tillverka kolbaserade nanoelektroniska kopplingsenheter direkt i en isolerande matris. Dessa enheter kommer sannolikt att ha många tekniska tillämpningar, inklusive elektroniska och spintroniska system, och till och med kvantberäkningsenheter."
Mer information: Bosai Lyu et al, Grafen nanorribbons odlade i hBN-stackar för högpresterande elektronik, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07243-0
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Tel-Aviv University
