Ameerika Ühendriikides valmis hiljuti maailma kiireim grafeentransistor, äralõikesagedusega 100GHz. Transistori ehitanud teadlaste arvates on tulevikus võimalik seadme mõõtmeid vähendada ja optimiseerida nii, et see oleks kiireim kõigist harilikest ränipõhistest transistoritest. Uus transistor leiaks kasutust mikrolaine-kommunikatsiooniseadmetes ning pilditöötlustehnoloogiates.
Et elektronid suudavad liikuda kõigest ühe süsiniku aatomkihi paksuses grafeenis ülisuurel kiirusel, on seda tulevikus võimalik kasutada paljudes elektroonikaseadmetes. Elektronid käituvad seal kui relativistlikud osakesed, millel puudub seisumass. Tänu sellele ning muudele ebatavalistele füüsikalistele ning mehaanilistele omadustele võib “imematerjal” grafeen tulevikus asendada elektroonikatööstuses rohkesti kasutatavat räni, et valmistada kiiremaid transistoreid kui ükski senitoodetutest.
Phaedon Avouris ja Yu-Ming Lin koos kolleegidega IBMi TJ Watson Research Centre’is New Yorgis alustasid oma väljatransistori valmistamist kuumutades õhukest ränikarbiidi(SiC) plaadikest, et grafeeni kujul saada pindmiseks kihiks süsiniku aatomid. Seejärel sadestati grafeenile lätte- ja suudmeelektroodid, jättes nende vahele katmata grafeensüvendid.
Kõige keerulisem oli aga järgmine samm – õhukese isoleerkihi sadestamine veel katmata grafeenile, kahjustamata selle elektroonilisi omadusi. Et kaitsta grafeeni, asetati sellele õhuke, 10 nanomeetrine (10-9 meetrit) kiht polü-hüdroksu-stüreeni – kaubanduslikus pooljuhttöötluses kasutatav polümeer. Seejärel sadestati üksteise järel tavaline oksiidikiht ning metallist paisuelektrood.
Paisu laius on üpriski suur, 240 nanomeetrit, kuid füüsikute arvates on seda tulevikus võimalik seadme parendamise eesmärgil vähendada.
Sama paisu laiuse juures on uuel grafeentransistoril kõrgem äralõikesagedus kui parimatel ränipõhistel MOSFETidel(metall-oksiid-pooljuht väljatransistor, S.K), millede äralõikesagedus on ligikaudu 40GHz. Äralõikesageduseks nimetatakse sagedust, millest kõrgema korral transistori töövõime langeb märgatavalt. Uus seade purustas IBMi eelmise rekordi, milleks oli 26GHz.
Erinevalt teistest, grafeenplaadikestest tehtud, väljatransistoritest kasutati selle seadme valmistamiseks pooljuhttööstuses kasutatavaid tehnoloogiaid. ,,Meie töö demonstreerib esmakordselt, et kõrgtehnoloogilisi grafeenil põhinevaid seadmeid on võimalik toota tehnoloogiliselt kasulikus mikroprotsessori suurusskaalas,” sõnas Avouris. Ent seesugustel grafeenseadmetel on ka puudusi, nimelt ei ole võimalik neid kasutada arvutites leiduvates digitaalahelates. Seda sel põhjusel, et grafeenil puudub juhtivus- ja valentselektronide vahel keelutsoon, kuid just see tsoon võimaldab tavalistel pooljuhtidel voolu vastavalt kas sisse või välja lülitada. See-eest on selliseid kõrgsageduslikke transistoreid võimalik kasutada analoog-mikrolainete võimendamiseks kommunikatsiooniseadmetes ning pilditöötlusrakendustes, kaasa arvatud kõrgresolutsioonilistes radarites, meditsiinis ning turvaseadmetes.
Järgmisena on IBMi teadlastel plaanis vähendada transistori mõõtmeid, valmistada puhtamat grafeeni ning optimiseerida seadme ehitust. ,,Sellised transistorid ületavad tulevikus kõik harilikud seadmed,” arvas Avouris. Samuti on töögrupil plaanis uurida võimalusi keelutsooni tekitamiseks grafeentransistorisse, et seda oleks võimalik ka digitaalahelates kasutada.
Artikkel avaldati ajakirjas Science.
Loe ka artiklit ajakirjas PhysicsWorld: http://physicsworld.com/cws/article/news/41643
Leave a Reply