조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology)의 연구원들은 알려진 가장 강한 결합으로 서로 결합된 단일 탄소 원자 시트인 그래핀으로 만든 세계 최초의 기능성 반도체를 만들었습니다.특정 조건에서 전기를 전도하는 재료인 반도체는 전자 장치의 기본 구성 요소입니다.팀의 획기적인 발전으로 전자공학 분야의 새로운 길을 열게 되었습니다.

그들의 발견은 다음과 같은 시기에 이루어졌습니다.규소거의 모든 현대 전자 제품을 만드는 재료인 는 점점 더 빠른 컴퓨팅과 더 작은 전자 장치에 직면하여 한계에 도달하고 있습니다.

Georgia Tech의 물리학과 리전트 교수인 Walter de Heer는 조지아주 애틀랜타와 중국 텐진에 본부를 둔 연구팀을 이끌고그래핀기존의 마이크로 전자 공학 처리 방법과 호환되는 반도체는 실리콘에 대한 실행 가능한 대안의 필요성입니다.

이번 최신 연구에서는출판됨~에자연, de Heer와 그의 팀은 수십 년 동안 그래핀 연구를 괴롭혀온 가장 큰 장애물과 많은 사람들이 그래핀 전자 장치가 결코 작동하지 않을 것이라고 생각하는 이유를 극복했습니다."밴드 갭"으로 알려진 이는 반도체의 스위치를 켜고 끌 수 있게 하는 중요한 전자 특성입니다.그래핀에는 지금까지 밴드갭이 없었습니다.

“우리는 이제 실리콘의 이동도가 10배에 달하고 실리콘에서는 볼 수 없는 독특한 특성을 지닌 매우 견고한 그래핀 반도체를 갖게 되었습니다.”라고 de Heer는 말했습니다."하지만 지난 10년 동안 우리 작업의 이야기는 '이 재료를 작업하기에 충분할 만큼 얻을 수 있을까?'였습니다."

새로운 형태의 반도체

De Heer는 경력 초기에 잠재적인 반도체로서 탄소 기반 재료를 탐구하기 시작했으며 2001년에 2차원 그래핀 탐구로 전환했습니다. 그는 그때 그래핀이 전자 장치에 잠재력이 있다는 것을 알았습니다.

“우리는 그래핀의 세 가지 특별한 특성을 전자 장치에 도입하려는 희망에 동기를 부여받았습니다.”라고 그는 말했습니다."이것은 매우 견고한 재료로 매우 큰 전류를 처리할 수 있고 가열되거나 분해되지 않고 처리할 수 있습니다."

De Heer와 그의 팀은 특수 용광로를 사용하여 탄화규소 웨이퍼에서 그래핀을 성장시키는 방법을 알아내면서 획기적인 발전을 이루었습니다.그들은 탄화규소의 결정면에서 성장하는 단일 층인 에피택시 그래핀을 생산했습니다.팀은 그것이 제대로 만들어졌을 때,에피택셜 그래핀실리콘 카바이드에 화학적으로 결합되어 반도체 특성을 나타내기 시작했습니다.다음 10년 동안 그들은 Georgia Tech에서 재료를 완성하기 위해 노력했고 나중에는 중국 천진대학교의 천진 국제 나노입자 및 나노시스템 센터의 동료들과 협력했습니다.

De Heer는 센터 소장이자 논문의 공동 저자인 Lei Ma와 함께 2014년에 센터를 설립했습니다.

그들이 그것을 한 방법

자연 상태에서 그래핀은 반도체도 금속도 아닌 반금속입니다.밴드갭은 다음과 같은 경우에 켜고 끌 수 있는 물질입니다.전기장모든 트랜지스터와 실리콘 전자 장치가 작동하는 방식이 여기에 적용됩니다.그래핀 전자공학 연구의 주요 질문은 그래핀을 켜고 끄는 방법을 통해 실리콘처럼 작동할 수 있느냐는 것이었습니다.

그러나 기능적인 트랜지스터를 만들려면 반도체 물질을 크게 조작해야 하므로 그 특성이 손상될 수 있습니다.플랫폼이 실행 가능한 반도체로 기능할 수 있음을 증명하기 위해 팀은 손상을 주지 않고 전자 특성을 측정해야 했습니다.

그들은 시스템에 전자를 '기부'하는 원자를 그래핀 위에 놓았는데, 이 기술을 도핑이라고 부르는데, 이 기술을 사용하여 물질이 좋은 전도체인지 확인했습니다.재료나 그 특성을 손상시키지 않고 작동했습니다.

연구팀의 측정 결과, 그래핀 반도체는 실리콘보다 이동성이 10배 더 높은 것으로 나타났습니다.즉, 전자는 매우 낮은 저항으로 움직이며, 이는 전자공학에서 더 빠른 컴퓨팅으로 해석됩니다.“이것은 자갈길에서 운전하는 것과 고속도로에서 운전하는 것과 같습니다.”라고 de Heer는 말했습니다."그것은 더 효율적이고, 많이 가열되지 않으며, 전자가 더 빨리 움직일 수 있도록 더 빠른 속도를 허용합니다."

팀의 제품은 현재 유일한 2차원 제품입니다.반도체나노 전자공학에 사용되는 데 필요한 모든 특성을 갖추고 있으며, 전기적 특성이 현재 개발 중인 다른 2D 반도체보다 훨씬 우수합니다.

Ma는 “그래핀 전자공학의 오랜 문제는 그래핀이 적절한 밴드 갭을 가지지 못하고 올바른 비율로 켜고 끌 수 없다는 것입니다.”라고 말했습니다."수년에 걸쳐 많은 사람들이 다양한 방법으로 이 문제를 해결하려고 노력해 왔습니다. 우리의 기술은밴드갭, 이는 그래핀 기반 전자 장치를 실현하는 데 중요한 단계입니다."앞으로 나아가다

에피택셜 그래핀은 전자 분야의 패러다임 전환을 일으킬 수 있으며 고유한 특성을 활용하는 완전히 새로운 기술을 가능하게 합니다.

이 소재는 양자 컴퓨팅에 필요한 전자의 양자 역학적 파동 특성을 활용할 수 있게 해준다.

“그래핀 전자 장치를 개발하려는 우리의 동기는 오랫동안 존재해 왔으며 나머지는 단지 그것을 실현하는 것이었습니다.”라고 de Heer는 말했습니다."우리는 재료를 처리하는 방법, 재료를 점점 더 좋게 만드는 방법, 그리고 마지막으로 특성을 측정하는 방법을 배워야 했습니다. 이 작업에는 매우 오랜 시간이 걸렸습니다."

de Heer에 따르면 또 다른 세대의 전자 제품이 등장하는 것은 드문 일이 아닙니다.실리콘 이전에는 진공관이 있었고, 그 이전에는 전선과 전신이 있었습니다.실리콘은 전자공학 역사의 여러 단계 중 하나이며, 다음 단계는 그래핀이 될 수 있습니다.

드 히어는 "나에게 이것은 라이트 형제의 순간과 같다"고 말했다."그들은 공중에서 300피트를 날 수 있는 비행기를 만들었습니다. 그러나 회의론자들은 이미 빠른 기차와 보트가 있는데 왜 세상에 비행이 필요한지 물었습니다. 그러나 그들은 끈질기게 버텼고, 그것이 사람들을 건너갈 수 있는 기술의 시작이었습니다.바다."