Πρώτος ημιαγωγός από γραφένιο για την επόμενη γενιά υπολογιστών

Έπειτα από δέκα χρόνια προσπάθειας, ερευνητές στις ΗΠΑ και την Κίνα κατάφεραν να δημιουργήσουν τον πρώτο λειτουργικό ημιαγωγό από γραφένιο, μια μορφή του άνθρακα που θα μπορούσε να διαδεχθεί το πυρίτιο στους υπολογιστές του μέλλοντος.

Ο ημιαγωγός γραφενίου επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να ρέουν με πολύ μικρότερη αντίσταση, κάτι που σημαίνει ότι οι μπαταρίες των κινητών θα διαρκούσαν περισσότερο και οι υπολογιστές θα λειτουργούσαν σε υψηλότερες συχνότητες χωρίς να υπερθερμαίνονται.

Η διαφορά σε σχέση με το πυρίτιο «είναι σαν να οδηγείς σε χωματόδρομο αντί σε αυτοκινητόδρομο»

Η νέα συσκευή μπορεί μάλιστα να κατασκευαστεί με τις σημερινές μεθόδους παραγωγής τσιπ, ένα σημαντικό πλεονέκτημα για την εμπορική αξιοποίησή της, αναφέρουν οι δημιουργοί της στο περιοδικό Nature.

Το γραφένιο, του οποίου η ανακάλυψη τιμήθηκε με Νόμπελ το 2010, είναι μια μορφή του άνθρακα στην οποία όλα τα άτομα διατάσσονται στο ίδιο επίπεδο, ενωμένα σε εξάγωνα που θυμίζουν κυψέλη.

Ουσιαστικά, πρόκειται για φύλλα άνθρακα με πάχος ενός ατόμου.

«Είναι εξαιρετικά ανθεκτικό υλικό και αντέχει σε υψηλές εντάσεις ρεύματος χωρίς να θερμαίνεται και να διαλύεται» σχολιάσει σε δελτίο Τύπου ο Ουόλτερ ντε Χιρ του Τεχνολογικού Ινστιτιτούτου της Τζόρτζια, επικεφαλής της μελέτης.

Επιταξικό γραφένιο

Ήδη από την ανακάλυψή του το 2004, το γραφένιο αναγνωρίστηκε ως άριστο υλικό για την παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, μέχρι σήμερα όμως όλες οι απόπειρες δημιουργίας ημιαγωγών από γραφένιο είχαν αποτύχει.

Το βασικό πρόβλημα είναι ότι από το γραφένιο απουσιάζει το λεγόμενο «ενεργειακό διάκενο» (band gap), μια βασική ιδιότητα των ημιαγωγών που τους επιτρέπει να εναλλάσσονται μεταξύ των καταστάσεων «οn» και «off» σαν διακόπτες.

Η λύση που παρουσιάζεται στη νέα μελέτη είναι το «επιταξιακό» γραφένιο, ένα μονοατομικό στρώμα γραφενίου ενώμένο σε μια επιφάνεια καρβιδίου του πυριτίου. Το σύνθετο αυτό υλικό λειτουργεί ως ημιαγωγός, επιτρέπει δηλαδή τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος μόνο κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες.

O δρ Ουόλτερ ντε Χιλ βλέπει το μέλλον μέσα από έναν δίσκο επιταξικού γραφενίου (Chris McKenney)

Οι πρώτες μετρήσεις έδειξαν ότι, συγκριτικά με το πυρίτιο, ο ημιαγωγός γραφενίου προσφέρει 10 φορές μεγαλύτερη «κινητικότητα» (mobility), κάτι που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται με πολύ μικρή αντίσταση.

Η διαφορά σε σχέση με το πυρίτιο «είναι σαν να οδηγείς σε χωματόδρομο αντί σε αυτοκινητόδρομο» λέει ο Ντε Χιρ. «Είναι πιο αποδοτικό, δεν ζεσταίνεται τόσο πολύ και επιτρέπει υψηλότερες ταχύτητες».

Σύμφωνα με την ανακοίνωση, πρόκειται για τον πρώτο δισδιάστατο ημιαγωγό που διαθέτει όλες τις κατάλληλες ιδιότητες ώστε να χρησιμοποιηθεί στη νανοηλεκτρονική και υπερέχει έναντι οποιουδήποτε άλλου πειραματικού δισδιάστατου ημιαγωγού.

Εφόσον αποδειχθεί εφικτή η εμπορική αξιοποίηση του νέου ημιαγωγού, το γραφένιο θα μπορούσε να διαδεχθεί το πυρίτιο για μια νέα γενιά ηλεκτρονικών, όπως το πυρίτιο αντικατέστησε στα μέσα του 20ού αιώνα τις λυχνίες κενού, λέει ο Ντε Χιρ.

Επισημαίνει επίσης ότι το γραφένιο παρουσιάζει ιδιότητες που απουσιάζουν εντελώς από το πυρίτιο και θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν σε νέες τεχνολογίες. Μεταξύ άλλων, επιτρέπει την αξιοποίηση της κβαντικής συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων, κάτι που σημαίνει ότι είναι κατάλληλο για τους αυριανούς κβαντικούς υπολογιστές.