Półprzewodniki to materiały, które w określonych warunkach dobrze przewodzą prąd elektryczny, a w innych zachowują się jak izolatory (ciała nieprzewodzące prądu). Półprzewodniki są dziś podstawą budowy wszelkich urządzeń elektronicznych, na czele z komputerami. Badacze uważają, że mają spore szanse dokonać rewolucji w tej dziedzinie.
Naukowcy mówią o przełomie. Odkryli nowy półprzewodnik na bazie grafenu
Problemem jest jednak fakt, że do dalszego rozwoju technologii, a więc podnoszenia mocy obliczeniowej i (często jednoczesnej) miniaturyzacji elementów elektronicznych potrzebny jest nowy materiał o lepszych właściwościach. Teraz badaczom udało się dokonać przełomu w tej dziedzinie. Zespół naukowców pod kierownictwem Waltera de Heera, profesora fizyki z Georgia Institute of Technology w USA, stworzył pierwszy na świecie funkcjonalny półprzewodnik wykonany z grafenu, który wyróżnia się możliwościami wielokrotnie lepszymi niż materiały wykonane z krzemu. Grafen, o którym w kontekście zastosowań w elektronice mówi się od dawna to niezwykle cienka struktura (przypominająca plaster miodu), złożona z atomów węgla, w której wiązania są wyjątkowo silne.
Jak piszą badacze w pracy opublikowanej na łamach "Nature", nowy materiał jest pierwszym półprzewodnikiem grafenowym kompatybilnym z konwencjonalnymi metodami przetwarzania mikroelektroniki, co jest warunkiem koniecznym, by można było wykorzystać go w praktyce. Naukowcy pokonali największą przeszkodę, która od lat spędzała sen z powiek badacze zajmujących się grafenem - udało im się uzyskać tzw. pasmo zabronione (lub przerwę zabronioną - z ang. band gap), które w kontakcie z polem elektrycznym w zależności od potrzeby umożliwia lub uniemożliwia przepływ prądu. Jak podkreśla Georgia Institute of Technology, nigdy wcześniej naukowcom nie udało się osiągnąć tej właściwości w materiałach grafenowych. W swojej naturalnej postaci grafen nie jest bowiem półprzewodnikiem, ale - podobnie jak krzem - półmetalem. Staje się nim dopiero po uzyskaniu wspomnianego pasma zabronionego.
Jakby tego było mało, półprzewodnik stworzony przez zespół Waltera de Heera wykazuje się właściwościami zdecydowanie lepszymi od półprzewodników opartych na krzemie. Przede wszystkim podkreślono fakt, że ruchliwość nośnika w półprzewodniku grafenowym jest 10-krotnie lepsza niż w materiałach krzemowych.
Teraz mamy niezwykle wytrzymały półprzewodnik grafenowy o ruchliwości 10 razy większej niż krzem, a także posiadający unikalne właściwości niedostępne w przypadku krzemu. Ale historia naszej pracy przez ostatnie 10 lat była następująca: 'Czy uda nam się sprawić, że ten materiał będzie wystarczająco dobry, aby można było przy nim pracować?'
- pisze Walter de Heer cytowany na stronie instytutu Georgia Tech. Fizyk pierwsze potencjalne półprzewodniki oparte na atomach węgla badał jeszcze na początku swojej kariery w 2001 roku.
To może być rewolucja. Bez nowego półprzewodnika nie pójdziemy dalej
Stale postępująca miniaturyzacja, podnoszenie mocy i ograniczanie poboru prądu (a przy okazji ilości wydzielanego ciepła) sprawiły, że półprzewodniki oparte na krzemie dotarły już do granic swoich możliwości. Dalszy rozwój wymaga więc zastosowania nowego materiału, który będzie wykazywał się lepszymi właściwościami i większą wytrzymałością. Te pierwsze mogą z kolei zostać wykorzystane w pracach nad kolejnymi technologiami, w tym przede wszystkim w raczkujących wciąż komputerach kwantowych.
Walter de Heer podkreśla, że prace nad półprzewodnikiem grafenowym "zajęły bardzo, bardzo dużo czasu", ale być może umożliwią przejście na kolejny etap w rozwoju elektroniki. Naukowiec zauważa, że przed krzemem były m.in. lampy próżniowe lub telegrafy, a kolejnym krokiem może być grafen.
Dla mnie to jak chwila braci Wright. Zbudowali samolot, który mógł przelecieć 300 stóp [91 metrów - red.] w powietrzu. Sceptycy pytali, po co światu potrzebne samoloty, skoro istnieją już szybkie pociągi i łodzie. Ale oni się nie poddawali i stworzyli zalążek technologii, która dziś może przewozić ludzi za oceany
- uważa de Heer.
