Grafene, un reticolo spesso un atomo di atomi di carbonio, è spesso pubblicizzato come un materiale rivoluzionario che prenderà il posto del silicio nel cuore dell'elettronica. La velocità senza pari con cui può spostare gli elettroni, più il suo fattore di forma essenzialmente bidimensionale, renderlo un'alternativa interessante, ma rimangono diversi ostacoli alla sua adozione.

Un team di ricercatori dell'Università della Pennsylvania; Università della California, Berkeley; e l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha fatto breccia nella soluzione di uno di questi ostacoli. Dimostrando un nuovo modo per modificare la quantità di elettroni che risiedono in una determinata regione all'interno di un pezzo di grafene, hanno una prova di principio nel realizzare gli elementi costitutivi fondamentali dei dispositivi a semiconduttore utilizzando il materiale 2-D.

Inoltre, il loro metodo permette di sintonizzare questo valore attraverso l'applicazione di un campo elettrico, il che significa che gli elementi del circuito in grafene realizzati in questo modo potrebbero un giorno essere "ricablati" dinamicamente senza alterare fisicamente il dispositivo.

Lo studio è stato una collaborazione tra i gruppi di Andrew Rappe a Penn, Lane Martin all'Università di Berkeley e Moonsub Shim all'Illinois.

È stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Il silicio viene utilizzato per realizzare elementi di circuiti a causa della sua densità di portatori di carica, il numero di elettroni liberi che contiene, può essere facilmente aumentato o diminuito aggiungendo impurità chimiche. Questo processo di "doping" si traduce in semiconduttori di "tipo p" e "tipo n", silicio che ha portatori di carica più positivi o più negativi.

Le giunzioni tra i semiconduttori di tipo p e n sono gli elementi costitutivi dei dispositivi elettronici. Mettere insieme in sequenza, queste giunzioni p-n formano transistor, che possono a loro volta essere combinati in circuiti integrati, microchip e processori.

È possibile drogare chimicamente il grafene per ottenere la versione di tipo p e n del materiale, ma significa sacrificare alcune delle sue proprietà elettriche uniche. Un effetto simile è possibile applicando variazioni di tensione locali al materiale, ma la produzione e il posizionamento degli elettrodi necessari negano i vantaggi offerti dal fattore di forma del grafene.

"Siamo venuti con un non distruttivo, doping reversibile, "Rappo ha detto, "questo non comporta alcun cambiamento fisico al grafene".

La tecnica del team prevede il deposito di uno strato di grafene in modo che si appoggi, ma non si lega a, un secondo materiale:niobato di litio. Il niobato di litio è ferroelettrico, nel senso che è polare, e le sue superfici hanno una carica positiva o negativa. L'applicazione di un impulso di campo elettrico può cambiare il segno delle cariche superficiali.

"Questa è una situazione instabile, "Rappo ha detto, "nel senso che la superficie carica positivamente vorrà accumulare cariche negative e viceversa. Per risolvere questo squilibrio, potresti avere altri ioni che entrano e si legano o che l'ossido perde o guadagna elettroni per annullare quelle cariche, ma abbiamo trovato una terza via.

"Qui abbiamo il grafene in attesa, sulla superficie dell'ossido ma non legandosi ad esso. Ora, se la superficie dell'ossido dice, 'Vorrei avere più carica negativa, ' invece dell'ossido che raccoglie ioni dall'ambiente o acquista elettroni, il grafene dice 'posso tenere gli elettroni per te, e saranno proprio nelle vicinanze.'"

Rappe ha suggerito di utilizzare niobato di litio, in quanto è già comunemente usato nell'ingegneria ottica e ha proprietà che si presterebbero a creare giunzioni p-n. I ricercatori hanno approfittato del fatto che un certo tipo di materiale, niobato di litio periodicamente polarizzato, è fabbricato in modo che abbia "strisce" di regioni polari che si alternano tra positivo e negativo.

"Poiché i domini del niobato di litio possono dettare le proprietà, "Sim ha detto, "diverse regioni del grafene possono assumere caratteri diversi a seconda della natura del dominio sottostante. Ciò consente, come abbiamo dimostrato, un semplice mezzo per creare una giunzione p-n o anche una serie di giunzioni p-n su un singolo fiocco di grafene. Tale capacità dovrebbe facilitare i progressi nel grafene che potrebbero essere analoghi a ciò che le giunzioni p-n e i circuiti complementari hanno fatto per l'attuale elettronica dei semiconduttori allo stato dell'arte.

"Ciò che è ancora più eccitante è l'abilitazione dell'optoelettronica che utilizza il grafene e la possibilità di guidare le onde, lenti e manipolazioni periodiche di elettroni confinati in un materiale atomicamente sottile."

I loro esperimenti prevedevano anche l'aggiunta di un singolo cancello al dispositivo, che ha permesso di regolare ulteriormente la sua densità di portante complessiva mediante l'applicazione di diverse tensioni.

Tenendo conto di come l'ossido bilancia da solo le sue cariche superficiali, o legando ioni dalla soluzione acquosa, i ricercatori sono stati in grado di mostrare la relazione tra la polarizzazione dell'ossido e la densità del portatore di carica del grafene sospeso su di esso.

E poiché la polarizzazione dell'ossido può essere facilmente alterata, il tipo e l'entità del drogaggio con grafene supportato possono essere modificati insieme ad esso.

"Potresti venire con una punta che produce un certo campo elettrico, e solo mettendolo vicino all'ossido potresti cambiarne la polarità, " disse Martin. "Scrivi un dominio 'up' o un dominio 'down' nella regione in cui lo desideri, e la densità di carica del grafene rifletterebbe tale cambiamento. Potresti creare il grafene su quella regione di tipo p o di tipo n, e, se cambi idea, puoi cancellarlo e ricominciare."

Questa capacità rappresenterebbe un vantaggio rispetto ai semiconduttori drogati chimicamente. Una volta che le impurità atomiche sono state mescolate nel materiale per cambiare la sua densità di portatore, non possono essere rimossi. La ricerca futura studierà la fattibilità della progettazione di dispositivi semiconduttori dinamici con questa tecnica.

"Al momento non possiamo farlo, ma questa è la direzione che vogliamo prendere, "Rappo ha detto, "Ci sono alcuni ossidi che possono essere ripolarizzati sulla scala temporale dei nanosecondi, quindi potresti apportare alcune modifiche davvero dinamiche se necessario. Questo apre molte possibilità".