Grafeenista valmistuu nanotransistori

Hiilen nanorakenteisiin perustuvat transistorit: se mikä oli vielä äsken futuristinen unelma voi olla todellisuutta vain muutaman vuoden kuluttua.

Sveitsiläinen Empa tutkimuslaitoksen piirissä työskentelevä kansainvälinen tutkimusryhmä on onnistunut tuottamaan nanotransistoreita grafeeninauhoista, jotka ovat vain muutamien atomien levyisiä.

Grafeeni on johtava materiaali mutta siitä voi saada puolijohteen sopivien nanonauhojen muodossa.

Koska grafeeni koostuu tasasivuisista hiilen kuusikulmioista, sen reuna voi olla siksak- tai nojatuoli-muotoinen. Zigzag reunaiset rakenteet toimivat kuin metallit ja nojatuolimaiset puolijohteiden tapaan. Ongelma on ollut oikean muotoisten nanonauhojen tuottaminen.

Empan tutkijat yhteistyössä Max Planck Institute for Polymer Researchin kanssa Mainzista ja University of California at Berkeleyn kanssa ovat nyt onnistuneet kasvattamaan nauhoja täsmälleen yhdeksän atomin levyisinä, joilla on säännöllinen nojatuolimainen reuna.

Useiden prosessivaiheiden jälkeen grafeenikaistaleet liitetään kultarakenteeseen, jolloin muodostuu halutunlaisia nanonauhoja, joiden leveys on noin yksi nanometri ja pituus huimat 50 nanometriä.

Näillä rakenteilla on nyt suhteellisen suuret ja ennen kaikkea tarkasti määritellyt energiaerot. Tämä mahdollisti tutkijoiden mennä askeleen eteenpäin ja integroida grafeeninauhat nanotransistoreihin.

Aluksi kuitenkin ensimmäiset yritykset eivät olleet kovin onnistuneita: Mittaukset osoittivat, että virran ero "on" ja "off" -tilan välillä oli aivan liian pieni. Ongelmana saatiin ratkaistua käyttämällä hafniumoksidia (HfO2) piioksidin sijaan dielektrisenä materiaalina jolloin virtojen "on/off " -suhteeksi muodostui 10 E5.

Toinen ongelma oli grafeeninauhojen sisällyttäminen transistoriin. Tulevaisuudessa nauhoja ei enää sijoiteta sekalaisesti transistorisubstraatille, vaan pikemminkin kohdistetusti transistorikanavaan.

Tutkimusartikkeli on avoinna Nature Communicationsin sivuilla. Short-channel field-effect transistors with 9-atom and 13-atom wide graphene nanoribbons