Tarihteki ilk işlevsel yarı iletken, Georgia Teknoloji Enstitüsü araştırmacıları tarafından, bilinen en güçlü bağlarla birbirine bağlanmış tek bir karbon atomu tabakası olan grafen kullanılarak üretildi.
Yarı iletkenler, belirli durumlarda elektrik taşıyan malzemeler oldukları için elektrikli cihazların temel parçalarıdır.
Grubun yeniliği elektroniğe yeni bir yaklaşımın kapısını açıyor.
Keşifleri, daha küçük ve daha hızlı elektronik cihazların, neredeyse tüm modern elektronikleri yapmak için kullanılan hammadde olan silikonu kırılma noktasına kadar zorladığı bir döneme denk geliyor.
Georgia Tech’ten araştırmacılar standart mikroelektronik teknikleri kullanılarak işlenebilen bir grafen yarı iletken yarattı ki bu, uygulanabilir herhangi bir silikon ikamesi için bir ön koşuldur.
Fizik Profesörü De Heer ve meslektaşları, grafen araştırmalarını onlarca yıldır engelleyen ve birçok kişinin grafen elektroniğinin asla çalışmayacağına inanmasına yol açan büyük bir engelin üstesinden geldi. En yeni çalışmaları Nature dergisinde yayımlandı. “Bant aralığı” olarak bilinen bu temel elektronik özellik, yarı iletkenlerin açılıp kapanabilmesini sağlayan şeydir. Şimdiye kadar grafen bir bant aralığından yoksundu.
De Heer’e göre, artık silikonun on katı hareket kabiliyetine ve silikonda bulunmayan özel niteliklere sahip çok güçlü bir grafen yarı iletkenimiz var. Bununla birlikte, son on yıldaki çalışmalarımızın anlatısı şuydu: Bu malzemeyi işe yarayacak kadar iyi hale getirmek mümkün mü?
De Heer, kariyerinin başlarında karbon bazlı malzemeleri olası yarı iletkenler olarak araştırmaya başladı. 2001 yılında odağını iki boyutlu grafen araştırmalarına çevirdi. O dönemde grafenin elektronik alanındaki potansiyelinin farkındaydı.
Motivasyonumuzun, grafenin üç benzersiz özelliğini elektroniğe dahil etme ihtiyacından kaynaklandığını belirtti. Aşırı ısınmadan ve parçalanmadan çok yüksek akımlara dayanabilen çok esnek bir malzemedir.
De Heer ve meslektaşları, silikon karbür levhalar üzerinde grafen üretmek için özel fırınların nasıl kullanılacağını keşfettiklerinde önemli bir ilerleme kaydettiler. Epitaksiyel grafen olarak bilinen ve silikon karbür kristal yüzeyinde gelişen tek bir katman oluşturdular. Araştırmacılar, yeterli sentezin ardından epitaksiyel grafenin silisyum karbür ile kimyasal bir bağ oluşturduğunu ve yarı iletken özellikler sergilemeye başladığını keşfettiler.
Grafen doğal haliyle bir yarı metaldir, bir metal ya da yarı iletken değildir.
Tüm transistörler ve silikon elektronikler, bant boşluğu olan bir maddeye elektrik alanı uygulayarak çalışır ve bu da malzemenin açılıp kapanmasına neden olur. Grafenin silikon gibi işlev görecek şekilde nasıl açılıp kapatılacağı, grafen elektroniğinin geliştirilmesinde cevaplanmamış ana konuydu.
Ancak çalışan bir transistör oluşturmak için yarı iletken bir malzemenin önemli ölçüde manipüle edilmesi gerekir ki bu da yarı iletkenin özelliklerini bozabilir. Ekibin, uygulanabilir bir yarı iletken olarak çalışabileceğini göstermek için platformun elektriksel özelliklerini herhangi bir hasara yol açmadan ölçmesi gerekiyordu.
Doping, malzemenin iletkenliğini test etmek amacıyla sisteme elektron “bağışlayan” atomların grafene eklenmesi işlemidir. Çalışma sürecinde malzemenin hiçbir niteliği zarar görmemiştir.
Ekibin ölçümlerine göre, grafen yarı iletkenlerinin hareketliliği silikonunkinden on kat daha yüksek. Başka bir deyişle, elektronlar ve hareketleri arasında son derece az direnç var ve bu da elektronikte daha hızlı hesaplama yapılmasını sağlıyor. De Heer’e göre bu, otoyol yerine çakıllı bir yolda araba kullanmaya benziyor. Termal olarak daha az ısınır, daha verimlidir ve daha hızlı elektron hareketi sağlamak için daha yüksek hızlara izin verir.
Geliştirilmekte olan diğer tüm 2D yarı iletkenlerden önemli ölçüde üstün elektriksel niteliklere sahip olan ekibin ürünü, nanoelektronikte kullanılmak üzere gerekli tüm özelliklere sahip tek iki boyutlu yarı iletken olma özelliğini taşıyor.
Ma’ya göre grafenin uygun oranda açılıp kapanamaması ve uygun bir bant aralığının olmaması uzun zamandır grafen elektroniği ile ilgili sorunlar teşkil ediyordu. Çok sayıda insan yıllar boyunca çeşitli teknikler kullanarak bunu çözmeye çalıştı. Bizim yaklaşımımız, grafen tabanlı elektroniklerin gerçekleştirilmesinde kritik bir bileşen olan bant aralığını kapatmaktadır.
Özel nitelikleri nedeniyle epitaksiyel grafen, elektronik endüstrisinde devrim yaratma ve yepyeni teknolojik olasılıklara kapı açma potansiyeline sahiptir. Kuantum hesaplama, malzemenin elektronların kuantum mekanik dalga özelliklerinin kullanımını mümkün kılmasını gerektiriyor.
Grafen elektroniği üzerinde çalışma dürtülerinin bir süredir var olduğunu ekleyen de Heer’e göre, gerisi sadece bunu gerçekleştirmekti. Malzemeyi nasıl kullanacağımızı anlamamız, onu daha fazla rafine etmemiz ve ardından niteliklerini ölçmemiz gerekiyordu. Bu çok ama çok uzun bir süreçti.
De Heer, yeni bir elektronik neslin gelişinin sıra dışı bir şey olmadığını iddia ediyor. Teller ve telgraflar silikondan önce vardı ve vakum tüpleri de ondan önce vardı. Elektronik tarihinde silikon ileriye doğru atılan adımlardan sadece biri; grafen ise bir sonraki adım olabilir.
De Heer, “Bu bana Wright Kardeşleri hatırlatıyor,” dedi. “300 fit dikey kaldırma gücüne sahip bir uçak inşa ettiler. Ancak şüpheciler, dünyanın zaten hızlı tekneleri ve trenleri varken neden uçmaya ihtiyaç duyduğunu sorguladılar. Yine de ısrarcı oldular ve bu, insanları uzak mesafelere taşıyabilecek bir teknolojinin başlangıcı oldu.”
Kaynak: https://techxplore.com/news
