Det samme materiale, der dannede de første primitive transistorer for mere end 60 år siden, kan ændres på en ny måde for at fremme fremtidens elektronik, ifølge en ny undersøgelse.
Kemikere ved Ohio State University har udviklet teknologien til at fremstille et etatom-tykt ark germanium og fandt, at det leder elektroner mere end ti gange hurtigere end silicium og fem gange hurtigere end konventionelt germanium.
Materialets struktur er nært beslægtet med grafen - et meget-spioneret todimensionelt materiale bestående af enkeltlag kulstofatomer. Som sådan viser grafen unikke egenskaber sammenlignet med dets mere almindelige flerlags modstykke, grafit. Graphene er endnu ikke blevet brugt kommercielt, men eksperter har antydet, at det en dag kunne danne hurtigere computerchips, og måske endda fungere som en superleder, så mange laboratorier arbejder på at udvikle det.
Joshua Goldberger, adjunkt i kemi i Ohio State, besluttede at tage en anden retning og fokusere på mere traditionelle materialer.
”De fleste mennesker tænker på grafen som fremtidens elektroniske materiale,” sagde Goldberger. ”Men silicium og germanium er stadig materialerne i nutiden. Seksti års hjernekræft værd er gået i at udvikle teknikker til at fremstille chips ud af dem. Så vi har søgt efter unikke former for silicium og germanium med fordelagtige egenskaber for at få fordelene ved et nyt materiale, men med mindre omkostninger og ved hjælp af eksisterende teknologi. ”
Elementet germanium i sin naturlige tilstand. Forskere ved Ohio State University har udviklet en teknik til at fremstille et atom-tykke lag med germanium til eventuel anvendelse i elektronik. Billedkredit: Wikimedia Commons
I et papir, der blev offentliggjort online i tidsskriftet ACS Nano, beskriver han og hans kolleger, hvordan de var i stand til at skabe et stabilt enkelt lag germaniumatomer. I denne form kaldes det krystallinske materiale germanan.
Forskere har forsøgt at skabe germaner før. Dette er første gang nogen har lykkedes at dyrke tilstrækkelige mængder af det til at måle materialets egenskaber i detaljer og demonstrere, at det er stabilt, når det udsættes for luft og vand.
I naturen har germanium en tendens til at danne flerlags krystaller, hvor hvert atomlag er bundet sammen; enkeltatomlaget er normalt ustabilt. For at omgå dette problem oprettede Goldbergers team multi-lagede germaniumkrystaller med calciumatomer, der er kilet ind mellem lagene. Derefter opløste de kalket med vand og tilsluttede de tomme kemiske bindinger, der blev efterladt med brint. Resultatet: De var i stand til at afskalde de enkelte lag af germanan.
Studet med brintatomer er germanan endnu mere kemisk stabil end traditionelt silicium. Det oxiderer ikke i luft og vand, som silicium gør. Det gør germanan let at arbejde med ved hjælp af konventionelle chipfremstillingsteknikker.
Den primære ting, der gør germanan ønskelig for optoelektronik, er, at det har det, som forskere kalder et "direkte båndgap", hvilket betyder, at lys let absorberes eller udsendes. Materialer som konventionelt silicium og germanium har indirekte båndhuller, hvilket betyder, at det er meget vanskeligere for materialet at absorbere eller udsende lys.
”Når du prøver at bruge et materiale med en indirekte båndafstand på en solcelle, skal du gøre det temmelig tyk, hvis du vil have nok energi til at passere gennem det til at være nyttigt.Et materiale med direkte båndspalte kan gøre det samme job med et stykke materiale 100 gange tyndere, ”sagde Goldberger.
De første nogensinde transistorer blev fremstillet af germanium i slutningen af 1940'erne, og de var omtrent på størrelse med et miniaturebillede. Selvom transistorer er vokset mikroskopisk siden da - med millioner af dem pakket i hver computerchip - har Germanium stadig potentiale til at fremme elektronik, viste undersøgelsen.
I henhold til forskernes beregninger kan elektroner bevæge sig gennem germanan ti gange hurtigere gennem silicium og fem gange hurtigere end gennem konventionelt germanium. Hastighedsmåling kaldes elektronmobilitet.
Med sin høje mobilitet kunne germanan således bære den øgede belastning i fremtidige højdrevne computerchips.
"Mobilitet er vigtig, fordi hurtigere computerskip kun kan laves med hurtigere mobilitetsmaterialer," sagde Golberger. ”Når du krymper transistorer ned til små skalaer, skal du bruge materialer med højere mobilitet, ellers vil transistorer bare ikke fungere,” forklarede Goldberger.
Dernæst undersøger teamet, hvordan man indstiller germanans egenskaber ved at ændre konfigurationen af atomerne i det enkelte lag.
Via Ohio State University