ייצוג אמן של מטענים נעים בגרפן דו-שכבתי טבעי. קרדיט: לוקאס קרול
חוקרים הראו כי שכבה כפולה גרפן יכול לתפקד גם כמוליך וגם כמבודד, תכונה שיכולה לחולל מהפכה בטכנולוגיית הטרנזיסטור. פונקציונליות כפולה זו מאפשרת פיתוח של ננומטרי טרנזיסטורים חסכוניים באנרגיה.
צוות מחקר בינלאומי בראשות אוניברסיטת גטינגן הוכיח בניסוי כי אלקטרונים בגרפן דו-שכבתי המופיע באופן טבעי נעים כמו חלקיקים ללא כל מסה, באותו האופן שבו האור נע. יתר על כן, הם הראו שניתן "להפעיל" ולכבות את הזרם, שיש לו פוטנציאל לפיתוח טרנזיסטורים זעירים וחסכוניים באנרגיה – כמו מתג האור בבית שלך אבל בקנה מידה ננו. המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), ארה"ב, והמכון הלאומי למדעי החומרים (NIMS), יפן, היו מעורבים אף הם במחקר. התוצאות פורסמו בכתב העת המדעי תקשורת טבע.
ד"ר אנה סיילר. קרדיט: כריסטיאן אקל
מאפיינים ואתגרים של גרפן
גרפן זוהה בשנת 2004 והוא שכבה אחת של אטומי פחמן. בין תכונותיו יוצאות הדופן הרבות, גרפן ידוע במוליכות החשמלית הגבוהה במיוחד שלו בשל המהירות הגבוהה והקבועה של אלקטרונים העוברים בחומר זה. תכונה ייחודית זו גרמה למדענים לחלום על שימוש בגרפן עבור טרנזיסטורים הרבה יותר מהירים וחסכוניים באנרגיה.
האתגר היה שכדי ליצור טרנזיסטור, החומר צריך להיות בשליטה כדי לקבל מצב מבודד מאוד בנוסף למצב המוליך הגבוה שלו. בגרפן, לעומת זאת, לא ניתן להשיג בקלות "מתג" כזה במהירות של המוביל. למעשה, לרוב אין לגרפן מצב מבודד, מה שהגביל את הפוטנציאל של הגרפן כטרנזיסטור.
פריצת דרך במחקר טרנזיסטור גרפן
צוות אוניברסיטת גטינגן מצא כעת ששתי שכבות גרפן, כפי שנמצאות בצורה טבעית של גרפן דו-שכבתי, משלבות את הטוב משני העולמות: מבנה התומך בתנועה מהירה להפליא של אלקטרונים הנעים כמו אור כאילו אין להם מסה, בנוסף למצב מבודד.
החוקרים הראו שניתן לשנות מצב זה על ידי הפעלת שדה חשמלי המופעל בניצב על החומר, מה שהופך את הגרפן הדו-שכבתי לבידוד.
פרופסור תומס וייץ. קרדיט: טי וויץ
תכונה זו של אלקטרונים הנעים במהירות נחזתה תיאורטית כבר בשנת 2009, אך נדרשה איכות דגימה משופרת משמעותית כפי שאפשרה על ידי חומרים שסופקו על ידי NIMS ושיתוף פעולה הדוק לגבי תיאוריה עם MIT, לפני שניתן היה לזהות זאת בניסוי. בעוד ניסויים אלה בוצעו בטמפרטורות קריוגניות – בסביבות 273 מעלות מתחת לקפיא – הם מראים את הפוטנציאל של גרפן דו-שכבתי ליצור טרנזיסטורים יעילים ביותר.
"כבר היינו מודעים לתיאוריה. עם זאת, כעת ביצענו ניסויים המראים למעשה את הפיזור דמוי האור של אלקטרונים בגרפן דו-שכבתי. זה היה רגע מאוד מרגש עבור הצוות כולו", אומר פרופסור תומס וייץ, בפקולטה לפיזיקה של אוניברסיטת גטינגן.
ד"ר אנה סיילר, חוקרת פוסט-דוקטורט ומחברת ראשונה גם באוניברסיטת גטינגן, מוסיפה: "העבודה שלנו היא מאוד צעד ראשון אבל מכריע. הצעד הבא של החוקרים יהיה לראות אם גרפן דו-שכבתי באמת יכול לשפר טרנזיסטורים או לחקור את הפוטנציאל של השפעה זו בתחומי טכנולוגיה אחרים".
