ارائه روشی جدید برای حل مشکل ترانزیستورهای گرافنی

محققان دانشگاه منچستر با ساخت نوع جدیدی از ترانزیستور گرافنی یک قدم به سمت غلبه بر مشکل رسانایی گرافن در حالت خاموشی دستگاه حرکت کرده‌اند.

گرافن بسیار رسانا است و بنابراین برای کاربردهای الکترونیکی ایده‌آل است. با این حال، رسانایی بسیار بالای آن نیز می‌تواند مشکل‌ساز باشد، زیرا افزاره‌های ساخته شده از این ماده حتی هنگام وضعیت خاموش نیز، رسانش خود را حفظ می‌کنند. اکنون محققان در دانشگاه منچستر با ساخت نوع جدیدی از ترانزیستور گرافنی که حاوی لایه‌هایی از نیترید بور یا دی‌سولفید مولیبدن قرار گرفته بین صفحه‌های گرافنی است، یک قدم به سمت غلبه بر این مشکل حرکت کرده‌اند. این لایه‌ها به عنوان مانع‌های عمودی تونل‌زنی عمل می‌کنند و نشت جریان حتی در دمای اتاق را به حداقل می‌رسانند.

در زمینه الکترونیک گرافنی، مشکل بزرگی وجود دارد. مدارهای مجتمع، هنگامی که در وضعیت خاموش هستند، نباید الکتریسیته مصرف کنند؛ اما افزاره‌های ساخته شده از گرافن حتی در بهترین وضعیت خاموش نیز رسانش را ادامه می‌دهند. این ویژگی نه تنها باعث اتلاف توان می‌شود، بلکه بدین معنی نیز است که این افزاره‌ها را نمی‌توان روی تراشه‌های رایانه‌ای فشرده کرد، زیرا جریان الکتریکی عبورکننده از سرتاسر گرافن این تراشه‌ها را تقریبا فورا ذوب می‌کند.

دلیل این‌که این ماده این‌گونه رفتار می‌کند، این است که گرافن برخلاف سیلیکون نیمه‌رسانا هیچ گپی بین باندهای رسانش و ظرفیتش ندارد. چنین باندگپی به یک ماده اجازه می‌دهد که وضعیت عبور جریان الکترون‌ها را خاموش و روشن کند. دانشمندان راه‌های متنوعی برای غلبه بر این مشکل ارائه کرده‌اند؛ برای مثال، تبدیل گرافن به نیمه‌رسانا با استفاده از روبان‌های نانومقیاس یا نقاط کوانتومی و یا اصلاح شیمیایی آن. اما این روش‌ها خواص عالی گرافن از جمله تحرک بالای الکترون‌های آن را تحت تاثیر قرار می‌دهند.

اکنون گروهی به رهبری «لی‌اُنید پونومارنکو» نوع جدیدی از افزاره‌های گرافنی – یک ترانزیستور تونل‌زن اثر میدانی عمودی- ساخته‌اند. این افزاره اولین افزاره گرافنی است که با وجود فقدان یک گپ انرژی در ساختار باندی ماده، بین وضعیت‌های روشن و خاموش به خوبی سویچ می‌کند.

این ترانزیستور از دو صفحه گرافنی که بین آنها عایق‌های نازک اتمی از قبیل نیترید بور یا دی‌سولفید مولیبدن است، ساخته شده است. این عایق‌های نازک به عنوان مانع‌هایی برای تونل‌زنی الکترون‌ها از یک لایه به لایه دیگر عمل می‌کنند. مزیت این ساختار این است که جریان عمود بر این لایه‌های ماده عایق که جریان تونل‌زن است را می‌توان با یک میدان الکتریکی خارجی کنترل کرد.

اگرچه هر عایق را می‌توان به عنوان یک مانع تونل‌زن در نظر گرفت، اما زمانی که این مانع ضخامتی به اندازه چند اتم دارد، جریان تونل‌زن را می‌توان به آسانی اندازه‌گیری کرد. طبق گفته این محققان، این افزاره به واسطه ویژگی بی‌نظیر گرافن که در نتیجه آن یک ولتاژ خارجی می‌تواند انرژی الکترون‌های تونل‌زن را به شدت تغییر دهد، کار می‌کند.

این محققان، جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Science منتشر کرده‌اند.