L'uso di elettroni più simili ai fotoni potrebbe fornire le basi per un nuovo tipo di dispositivo elettronico che trarrebbe vantaggio dalla capacità del grafene di trasportare elettroni quasi senza resistenza anche a temperatura ambiente, una proprietà nota come trasporto balistico.

La ricerca riportata questa settimana mostra che la resistenza elettrica nei nanonastri di grafene epitassiale cambia in passaggi discreti seguendo i principi della meccanica quantistica. La ricerca mostra che i nanonastri di grafene agiscono più come guide d'onda ottiche o punti quantici, permettendo agli elettroni di fluire uniformemente lungo i bordi del materiale. Nei normali conduttori come il rame, la resistenza aumenta in proporzione alla lunghezza man mano che gli elettroni incontrano sempre più impurità mentre si muovono attraverso il conduttore.

Le proprietà di trasporto balistico, simili a quelli osservati nei nanotubi di carbonio cilindrici, superare le previsioni di conduttanza teorica per il grafene di un fattore 10. Le proprietà sono state misurate in nanonastri di grafene larghi circa 40 nanometri che erano stati cresciuti sui bordi di strutture tridimensionali incise in wafer di carburo di silicio.

"Questo lavoro mostra che possiamo controllare gli elettroni del grafene in modi molto diversi perché le proprietà sono davvero eccezionali, " disse Walt de Heer, professore di Regent alla School of Physics del Georgia Institute of Technology. "Ciò potrebbe tradursi in una nuova classe di dispositivi elettronici coerenti basati sul trasporto balistico a temperatura ambiente nel grafene. Tali dispositivi sarebbero molto diversi da quelli che produciamo oggi in silicio".

La ricerca, che è stato sostenuto dalla National Science Foundation, l'Ufficio per la Ricerca Scientifica dell'Aeronautica Militare e il W.M. Fondazione Keck, è stato riportato il 5 febbraio sulla rivista Natura . La ricerca è stata condotta grazie alla collaborazione di scienziati della Georgia Tech negli Stati Uniti, Leibniz Universität Hannover in Germania, il Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Francia e l'Oak Ridge National Laboratory negli Stati Uniti.

Per quasi un decennio, i ricercatori hanno cercato di utilizzare le proprietà uniche del grafene per creare dispositivi elettronici che funzionano in modo molto simile ai chip semiconduttori di silicio esistenti. Ma questi sforzi hanno avuto un successo limitato perché il grafene, un reticolo di atomi di carbonio che può essere realizzato con uno spessore di appena uno strato, non può essere facilmente dato il bandgap elettronico di cui tali dispositivi hanno bisogno per funzionare.

De Heer sostiene che i ricercatori dovrebbero smettere di provare a usare il grafene come il silicio, e utilizzare invece le sue proprietà uniche di trasporto degli elettroni per progettare nuovi tipi di dispositivi elettronici che potrebbero consentire l'elaborazione ultraveloce, basata su un nuovo approccio alla commutazione. Gli elettroni nei nanonastri di grafene possono spostarsi di decine o centinaia di micron senza dispersione.

"Questa resistenza costante è collegata a una delle costanti fondamentali della fisica, il quanto di conduttanza, " ha detto de Heer. "La resistenza di questo canale non dipende dalla temperatura, e non dipende dalla quantità di corrente che ci stai facendo passare."

Cosa interrompe il flusso di elettroni, però, sta misurando la resistenza con una sonda elettrica. Le misurazioni hanno mostrato che toccare i nanonastri con una singola sonda raddoppia la resistenza; toccandolo con due sonde si triplica la resistenza.

"Gli elettroni colpiscono la sonda e si disperdono, " ha spiegato de Heer. "E 'molto simile a un ruscello in cui l'acqua scorre bene fino a quando non si mettono le rocce sulla strada. Abbiamo condotto studi sistematici per dimostrare che quando si toccano i nanonastri con una sonda, si introduce un metodo per la dispersione degli elettroni, e questo cambia la resistenza."

I nanonastri sono cresciuti epitassialmente su wafer di silicio e carbonio in cui sono stati incisi modelli utilizzando tecniche di fabbricazione microelettronica standard. Quando i wafer vengono riscaldati a circa 1, 000 gradi Celsius, il silicio viene preferibilmente espulso lungo i bordi, formando nanonastri di grafene la cui struttura è determinata dal pattern della superficie tridimensionale. Una volta cresciuto, i nanonastri non richiedono ulteriore elaborazione.

Il vantaggio di fabbricare nanonastri di grafene in questo modo è che produce bordi perfettamente lisci, ricotto dal processo di fabbricazione. I bordi lisci consentono agli elettroni di fluire attraverso i nanonastri senza interruzioni. Se vengono utilizzate tecniche di incisione tradizionali per tagliare nanonastri da fogli di grafene, i bordi risultanti sono troppo ruvidi per consentire il trasporto balistico.

"Sembra che la corrente scorra principalmente sui bordi, " ha detto de Heer. "Ci sono altri elettroni nella porzione di massa dei nanonastri, ma non interagiscono con gli elettroni che scorrono ai bordi."

Gli elettroni sul bordo fluiscono più come fotoni in fibra ottica, aiutandoli a evitare la dispersione. "Questi elettroni si comportano davvero più come la luce, " ha detto. "È come la luce che passa attraverso una fibra ottica. A causa del modo in cui è fatta la fibra, la luce trasmette senza disperdersi."

Le misurazioni della mobilità degli elettroni superiori a un milione corrispondono a una resistenza di foglio di un ohm per quadrato che è due ordini di grandezza inferiore a quanto osservato nel grafene bidimensionale e dieci volte inferiore alle migliori previsioni teoriche per il grafene.

"Questo dovrebbe consentire un nuovo modo di fare elettronica, " ha detto de Heer. "Siamo già in grado di guidare questi elettroni e possiamo scambiarli usando mezzi rudimentali. Possiamo mettere un posto di blocco, e poi riaprirlo. Nuovi tipi di interruttori per questo materiale sono ora all'orizzonte".

Le spiegazioni teoriche per ciò che i ricercatori hanno misurato sono incomplete. De Heer ipotizza che i nanonastri di grafene possano produrre un nuovo tipo di trasporto elettronico simile a quello che si osserva nei superconduttori.

"C'è molta fisica fondamentale che deve essere fatta per capire cosa stiamo vedendo, " ha aggiunto. "Crediamo che questo dimostri che esiste una possibilità reale per un nuovo tipo di elettronica basata sul grafene".

I ricercatori della Georgia Tech hanno aperto la strada all'elettronica basata sul grafene dal 2001, per i quali sono titolari di un brevetto, depositata nel 2003. La tecnica prevede l'incisione di modelli in wafer di carburo di silicio di grado elettronico, quindi riscaldando i wafer per scacciare il silicio, lasciando modelli di grafene.