Grafeno tranzistoriai: ar fantastika kada nors taps realybe?

Tik kad stebuklų iki šiol taip ir nepamatėme. Juo labiau, kad buvo pradėta abejoti grafeno tinkamumu tranzistoriams gaminti. Mat, skirtingai nei tradiciniuose tranzistoriuose naudojamo silicio, grafeno negalima „išjungti“ - jis visuomet yra labai laidus. Bet dabar mokslininkai mano atradę šio uždavinio sprendimą, rašo technologyreview.com.

Silicio tranzistoriaus perspektyvos beveik išsemtos: pusę pastarojo šimtmečio jie buvo gana sėkmingai miniatiūrizuojami, o Mūro dėsnis, skelbiantis, kad per dvejus metus integriniame grandyne sutalpinamų tranzistorių kiekis padvigubėja, visą šį laiką sėkmingai galiojo. Tai iš esmės reiškė, kad ir kompiuterių sparta kas dvejus metus padvigubėdavo. Bet, dabartiniais skaičiavimais, 2026 metais Mūro dėsnis atsimuš į neįveikiamą sieną – silicio technologijos maždaug tuo metu pasieks fizinę miniatiūrizavimo ribą. Kilo svarbus klausimas – o kas pakeis silicį?

Vienas iš perspektyvių kandidatų yra grafenas. Įvairios mokslininkų grupės pastaraisiais metais skelbėsi sugebėjusios pagaminti be proto sparčius tranzistorius. Viena grupė praėjusiais metais tikino, kad jų grafeno tranzistorius veikė protu sunkiai suvokiamu 427 GHz dažniu. Savaime suprantama, tokie pareiškimai tapo visiškai natūraliu pagrindu manyti, kad grafenas pakeis silicį.

Tik kad yra viena mažutė problema. Nors galbūt ir nemažutė, jei dėl jos suabejota grafeno tinkamumu tranzistoriams gaminti: jiems nebūdinga aktyvacijos energijos skylės savybė.

Kitaip tariant, grafenui neegzistuoja toks energijų spektras, kuriame negali būti aktyvuojami elektronai. Arba, tariant dar paprasčiau, grafeno laidumo išjungti neįmanoma. O tranzistorius, kurio išjungti negalima, yra paprasčiausias laidininkas.

Bet pirmadienį Kalifornijos universiteto (JAV) mokslininkas Guanxiongas Liu su kolegomis paskelbė, kad sugalvojo būdą pagaminti tranzistorius iš grafeno nepaisant to, kad jie ir neturi aktyvacijos energijos skylės – jų sukurtas tranzistoriaus vartų principas yra unikalus. „Gautas rezultatas parodo grafeno tyrimų konceptualią permainą ir demonstruoja alternatyvų būdą taikyti grafeną informacijos apdorojime“, - rašė mokslininkai.

Visoms kietosioms medžiagoms būdingos savitos aktyvacijos energijos juostos: kai pasiekiama tinkama aktyvacijos energija, puslaidininkis tampa laidininku, per kurį gali tekėti elektronai. O jeigu energija atitinka aktyvacijos energijos skylę, puslaidininkis tampa izoliatoriumi. Bet į laidumo juostą elektronus gali perstumti santykinai mažas energijos kiekis, todėl laidumas yra pasiekiamas nesunkiai.

Energijų skirtumas tarp izoliuojančios ir laidžios būsenos yra aktyvacijos energijos skylė, o gebėjimas persijungti iš vienos būsenos į kitą yra bene svarbiausia tranzistorių apibūdinanti savybė.

Kalbant apie grafeną kyla rimta problema – jis neturi aktyvacijos energijos skylės: elektronai juo teka esant bet kokiai energijai. Taigi, grafeną tyrinėjančių mokslininkų pagrindinė užduotis buvo sukurti dirbtinę aktyvacijos energijos skylę taikant tokius metodus, kaip elektriniai laikai, priemaišiniai atomai, medžiagos tempimas ar spaudimas.

Tiesa, šį kelią pasirinkusių mokslininkų rezultatai buvo kuklūs. Kad tranzistorius būtų praktiškai naudingas, reikia, kad jo aktyvacijos energijos skylė kambario temperatūroje būtų 1 eV eilės. Bet net ir sėkmingiausi grafeno modifikavimo eksperimentai sugebėjo pasiūlyti tik kelių šimtų meV dydžio skyles – maždaug dešimt kartų mažesnes nei reikėtų.

Be to, visiems tokiems modifikuoto grafeno tranzistoriams būdinga viena labai nemaloni savybė – jie yra be proto rajūs energijai, o elektra per juos nuteka tarsi vanduo per rėtį.

Todėl G. Liu nusprendė į užduotį pažvelgti iš kitos pusės. „Mes sąmoningai vengiame bet kokių būdų dirbtinai sukurti energijos juostą, dėl kurios grafenas taptu „panašesniu į silicį“, sakė mokslininkai. Jų darbo pagrindas – reiškinys, vadinamas neigiama varža, leidžiantis pasiekti į tranzistoriaus panašų veikimą..

Neigiama varža – tai intuicijai prieštaraujantis reiškinys, kurio metu srovė, patenkanti į medžiagą, sumažina jos įtampą. Įvairios mokslininkų grupės – taip pat ir G. Liu su kolegomis – yra parodę, kad tam tikromis sąlygomis grafenas pasižymi neigiama varža.

Taigi, mokslininkų idėjos pagrindas buvo paimti standartinį grafeno lauko tranzistorių ir nustatyti sąlygas, kuriose jis pasižymi neigiama varža (arba, jei griežčiau, neigiama diferencialine varža). Kaip jungiklis loginėms operacijoms atlikti gali būti panaudojamas įtampos kritimas.

G. Liu ir kolegų darbo pagrindą sudaro pademonstravimas, kaip keli grafeno lauko tranzistoriai gali būti sujungti ir jais manipuliuojama taip, kad jie veiktų kaip įprastiniai loginiai vartai.

Gauti rezultatai yra labai perspektyvūs. G. Liu su kolegomis įrodė savo metodo efektyvumą pagamindami grafeno lauko tranzistorių grandyną, kuris veikia patikimai ir turi svarbių pranašumų, lyginant su silicio tranzistoriais.

Pradžiai, G. Liu su kolegomis pagamino elementarius XOR loginius vartus iš vos trijų grafeno lauko tranzistorių – tokiems vartams pagaminti reikia aštuonių arba daugiau silicio tranzistorių. O tai reiškia, kad luste loginiai vartai užimtų gerokai mažiau fizinės erdvės. Ir ne mažiau svarbu yra tai, kad grafeno tranzistoriai gali veikti greičiu, didesniu nei 400 GHz.

Praktinis tokių tyrimų rezultatas būtų sistema, veikianti nepalyginamai greičiau už silicio mikroschemas. Mokslininkų teigimu, grafeno tranzistorių sistema yra „keliomis eilėmis produktyvesnė už bet kokias jau sukurtas ar dar kuriamas silicio pagrindo grandines“.

Žinoma, šis darbas kol kas atliktas tik laboratorijoje – kad idėja taptų kūnu, kažkam reikės pagaminti ir išbandyti realius grafeno procesorius. Tačiau kitoks Kalifornijos universiteto mokslininkų požiūris ir kūrybingas užduoties sprendimas gali reikšti, kad grafenas nėra beviltiška medžiaga puslaidininkių srityje.