Grafeentransistorid nanoseadmetes

Juba aastaid on teadlased uurinud süsinik-nanotorude ning grafeeni omadusi eesmärgiga kasutada neid nanoeletroonilistes seadmetes. ,,Grafeenil ning nanotorudel põhinevatel seadmetel ei ole praegu mingit masstoodangu rakendust,” sõnas Zhenxing Wang. ,,Nüüd on neil võimalus näidata, milleks nad suutelised on.”

Wang on üks Pekingi Ülikooli Nanoseadmete Füüsika- ja Keemialaboratooriumi teadlasi. Koos Zhiyong Zhangi, Huilong Xu, Li Dingi, Sheng Wangi ning Lian-Mao Pengiga katsetas Wang grafeentransistori tööomaduste hindamiseks ülemise paisuga grafeen-väljatransistoril põhinevat sageduskordistit. Tööst selgus, et grafeenil põhinev sageduskordisti annab muundamisel rohkem kui 90-protsendilist efektiivsust, vastav näitaja tavaliste sageduskordistite puhul jääb alla 30 %. Uurimustöö avaldati teadusajakirjas Applied Physics Letters pealkirjaga “A high-performance top-gate graphene field-effect transistor based frequency doubler.”

,,Rakendades seadmele ülemise paisu geomeetriat keskendusime sageduskordisti võimendusteguri ning sageduskarakteristikute parandamisele,” selgitas Wang. ,,Integreeritud vooluringe ning kõrgtehnoloogilisi seadmeid on võimalik  toota vaid tänu ülemise paisu kasutamisele. Antud uurimustöö sillutab teed grafeentransistorite massrakendustele lähitulevikus.”

Grafeen on transistormaterjalina väga ihaldusväärne just tänu selle suurepärastele tööomadustele. Hiljuti näitas IBM, et grafeentransistori töösagedus võib ulatuda kuni 100 GHz-ni, Pekingi Ülikooli teadlaste arvates töötab materjal hästi ka terahertsiste sageduste juures. ,,See töö on väga huvitav, sest sageduskordistid, mis töötavad suurtel sagedustel suure efektiivsusega võivad osutuda vägagi kalliks. Meie seade on odavam, see koosneb ainult ühest transistorist ning omab palju kõrgemat efektiivsust,” lausus Wang.

Pekingi Ülikooli töörühm valmistas seadme tavalise litograafia abil, sadestades grafeeni ränialusele, mille pindala ei ületanud ühte ruutmillimeetritki. Seadme tööomaduste uurimiseks kasutasid teadlased digitaalset ostsilloskoopi. Samuti kasutati uut Pekingi Ülikoolis väljatöötatud testmeetodit, mille abil mõõdeti sageduskordisti sooritust. ,,Uue testmeetodi töötasime välja spektrianalüsaatori abil, mis saab sageduse kohta täpse informatsiooni ning mis on piisavalt tundlik avastamaks veel madalamaid sagedusi kui ostsilloskoop.”

Antud uurimustöö võib viia grafeentransistorite väljatöötamiseni nanoelektroonika jaoks. ,,Põhimõtteliselt võiks selline seade olla paigutatud räniplaadile, seda saab teha praeguste litograafia ning grafeensadestamistehnoloogiate abil. Masstootmiseni jõuab asi alles pärast grafeeni valmistamise meetodite täielikku väljaarendust. Ootame pikisilmi grafeenil põhinevate sageduskordistite masstootmist, kus seadme töösageduseks oleks 100 GHz, võimendusteguriks 1/10, hind poleks kallis ning energiatarbivus väike,” lisas Wang.

See lootus võib aga täituda alles viie kuni kümne aasta pärast ning Wang ei muretse veel massproduktsiooniga seotud küsimuste pärast. ,,Hetkel keskendume seadme tööomaduste parandamisele, et seeläbi selle potentsiaali rõhutada. Seadet saab parandada asendades substraadi insuleeriva materjaliga, misläbi väheneks parasiitmahtuvus.”  Siiski oleks grafeentransistorite abil võimalik tulevikus edasi arendada nanoelektroonikaseadmed. Pekingi Ülikooli teadlased just selle eesmärgi nimel töötavadki.

Allikas

Teadusartikkel “A high-performance top-gate graphene field-effect transistor based frequency doubler,”