Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har utvecklat en metod där vatten används för att skapa och ställa in ett bandgap i nanomaterialet grafen vilket öppnar dörren för grafenbaserade transistorer och nanoelektronik.

Genom att exponera en grafenfilm för fukt har professor Nikhil Koratkar och hans forskningsteam lyckats skapa ett bandgap i grafen – en avgörande förutsättning för att skapa transistorer i det här materialet.

Grafen är ett atomtjockt skikt av kolatomer arrangerade som ett kedjelikt staket i nanoskalan och i sitt naturliga tillstånd har det inget bandgap. Koratkar’s team har visat hur man kan öppna upp ett bandgap i grafen baserat på mängden vatten som absorberas på ena sidan av materialet, och precist kunna ställa in ett bandgap på alla värden mellan 0 till 0,2 elektronvolt. 

Den här effekten var även fullt reverserbar och bandgapet gick tillbaka till 0 i vakuum. Tekniken innebär inte några komplicerade ingenjörskonster eller modifieringar av grafenmaterialet behövs, men det kräver en inneslutning där luftfuktigheten kan styras mycket noggrant, enligt forskarna.

– Grafen hyllas för dess unika och attraktiva mekaniska egenskaper. Men om du ska bygga en transistor och använda grafen kommer det helt enkelt inte att lyckas då grafen uppför sig som en halvmetall. I den här studien har vi demonstrerat en ny relativt enkel metod för att ge grafen ett bandgap. Det här kan öppna dörren för en ny generation transistorer, dioder, nanoelektronik, nanofotonik och andra applikationer, säger Koratkar, professor vid the Department of Mechanical, Aerospace and Nuclear Engineering vid Rensselaer.

Symmetrin i grafenets gitterstruktur har identifierats som orsaken till att materialet saknar ett bandgap. Koratkar utforskade idén om att bryta den här symmetrin genom att binda molekyler på endast en sida av grafenet. För att göra det här tillverkade han grafen på ytan av kisel och kiseldioxid, och placerade sedan materialet i en klimatkammare med kontrollerad luftfuktighet. I kammaren absorberades vattenmolekyler på ena sidan av grafenmaterialet men inte på den sidan som var vänd mot kiseldioxiden. Med en bruten symmetri öppnades bandgapet upp i grafenet. Det som också bidrog till fenomenet var den fukt som interagerade med defekter i kiseldioxidsubstratet.

– Andra har visat hur man skapar ett bandgap i grafen genom att gaser absorberas på dess yta, men det här är första gången det har gjorts genom att använda vatten. Fördelen med vattenabsorption, jämfört med gaser, är att det är billigt, inte giftigt och mycket lättare att kontrollera i en chiptillämpning. I och med utvecklingen inom kapslingstekniken är det till
exempel relativt enkelt att konstruera en liten inneslutning runt vissa delar – eller hela datorchipet – inom vilken det skulle vara ganska enkelt att kontrollera luftfuktighetsnivån. Baserat på luftfuktighetsnivån inom inneslutningen skulle chiptillverkare reversibelt kunna ställa in grafenets bandgap till ett värde allt mellan 0 och 0,2 elektronvolt, säger Korarkar.

Detaljerade resultat från studien finns beskrivna i dokumentet “Tunable Band gap in Graphene by the Controlled Adsorbtion of Water Molecules,” publicerad i tidskriften Small.

Filed under: Utländsk Teknik