خلاصه:
یک تیم از محققان دانمارک یکی از بزرگترین چالش‌ها در ساخت نانو الکترونیکسِ مؤثرِ گرافین – پایه را حل کرده است. آنها عملاً ویژگی‌های گرافن را مهندسی کرده‌اند.
تعداد کلمات: 1052  /  تخمین زمان مطالعه: 5 دقیقه

 

 

 

مترجم: علی رضایی میر قائد     

دانشکده فنی دانمارک
 

 محققان دانمارک به تازگی یکی از بزرگترین چالش‌های ساخت نانو الکترونیکس گرافین – پایه‌ی مؤثر را حل کرده‌اند: کنده کاری گرافن در ابعاد نانو بدون از بین بردن خواص الکتریکی. این اجازه می‌دهد تا آنها برای به مرتبه‌های جریان‌ الکتریکی‌ای بالاتر از آن چه قبلا برای چنین سازه‌هایی به دست آمده است برسند. این کار نشان می‌دهد که خواص حمل و نقل کوانتومی مورد نیاز برای الکترونیک آینده می‌تواند تا اندازهایی به ابعاد 10 نانومتر باقی بماند.
 
دانشمندان طی 15 سال تلاش کرده‌اند از ماده معجزه گر گرافن برای تولید الکترونیک نانومقیاس استفاده کنند. بر روی کاغذ، گرافن باید خیلی مهم باشد فقط برای آن این که: فوق العاده نازک است – در واقع فقط یک اتم ضخامت دارد و بنا بر این دو بعدی است، عالی است برای هدایت جریان الکتریکی و برای فرم‌های آینده الکترونیک که سریع تر و کار آمدتر در مصرف انرژی هستند باید ایده آل باشد. علاوه بر این، گرافن شامل اتم‌های کربن است - که ما موجودی نامحدودی از آن داریم.گرافن می‌تواند برای انجام بسیاری از وظایف مختلف مثلاً در الکترونیک، فوتونیک یا سنسور به سادگی با طراحی الگوهای کوچک در آن تغییر داده شود، چون اساساً این عمل خواص کوانتومی آن را تغییر می‌دهد.
 
گرافن ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی است. این ماده به علت داشتن خواص فوق‌العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک ‌پذیری حامل‌های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده‌ای منحصر به فرد تبدیل شده‌است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق‌العاده به عنوان کاندید بسیار مناسبی برای جایگزینی سیلیکون در نسل بعدی قطعه‌های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده ‌است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده‌است.
 
در تئوری، گرافن می‌تواند برای انجام بسیاری از وظایف مختلف مثلاً در الکترونیک، فوتونیک یا سنسور به سادگی با طراحی الگوهای کوچک در آن تغییر داده شود، چون اساسا این عمل خواص کوانتومی آن را تغییر می‌دهد. یک وظیفه ساده، که به طرز شگفت آوری دشوار از کار در آمده است، ایجاد یک باند جابجایی است که برای ساخت ترانزیستورها و دستگاه‌های اپتوالکترونیک ضروری است. با این حال، از آنجا که گرافن فقط به اندازه یک اتم ضخامت دارد، تمام اتمها مهم هستند و حتی بی قاعدگی‌های کوچک در الگو می‌تواند خواص آن را از بین ببرد.
 
پیتر بگوگلد، استاد دانشکده DTU می‌گوید: "گرافن یک ماده فوق العاده است که من فکر می‌کنم نقش مهمی در ساخت الکترونیک نانومقیاس جدید بازی می‌کند. مشکل این است که مهندسی خواص الکتریکی بسیار دشوار است."
 
مرکز گرافن نانوساختار در دانشکده DTU و دانشگاه آلبورگ در سال 2012 به طور خاص تاسیس شد تا مطالعه کند که چطور ویژگی‌های گرافن را می‌توان، برای مثال با ساخت یک الگوی خوب از حفره‌ها، مهندسی کرد. این باید ماهرانه ماهیت کوانتومی الکترونها را در ماده تغییر دهد و ویژگیهای گرافن را مناسب سازد. با این حال، تیم محققان DTU و آلبورگ همانند بسیاری از محققان دیگر در سراسر جهان، این را تجربه کردند: کار نمی‌کند.
 
پیتر بگوگلد می‌گوید: "هنگامی که الگوهای خود را در یک ماده مانند گرافن ایجاد می‌کنید، این کار را برای تغییر خواص آن به صورت کنترل شده برای مطابقت با طراحی خود انجام می‌دهید. با این حال، آنچه که ما در طول سال‌ها دیده‌ایم این است که می‌توانیم حفره‌ها را ایجاد کنیم، اما نه بدون معرفی اختلال و آلودگی بسیار زیاد که دیگر مانند گرافن رفتار نمی‌کند.این کمی شبیه ساخت یک لوله آب است که جریان ضعیف آب در آن به علت تولید خشن است. در خارج، ممکن است خوب به نظر برسد. برای الکترونیک بدیهی است که فاجعه بار است."
 
در حال حاضر تیم دانشمندان این مشکل را حل کرده است. دو دانشجوی پسا دکترا از دانشکده DTU Physics، Bjarke Jessen و Lene Gammelgaard، ابتدا گرافن را در داخل یک ماده دو بعدی دیگر - هیدروژن نیترید بور، که یک ماده غیر رساناست که اغلب برای حفاظت از خواص گرافن استفاده می‌شود، محصور کردند.
 
سپس، آنها از یک تکنیک به نام لیتوگرافی پرتو الکترونی استفاده کردند تا با دقت الگوی محافظتی نیترید بور و گرافنِ زیر را با آرایه‌ای با انبوهی از سوراخ‌های بسیار کوچک طراحی کنند. سوراخ‌ها دارای قطر تقریبی 20 نانو متر هستند، با تنها 12 نانومتر فاصله بین آنها - با این حال، زبری در لبه سوراخ کمتر از 1 نانومتر یا یک میلیاردم متر است. این اجازه می‌دهد جریانی 1000 بار بزرگتر در مقایسه با آنچه در چنین ساختارهای کوچکی گزارش شده بود جاری شود. می‌توان ساختار باند گرافنی را کنترل و طراحی کرد که چگونه باید رفتار کند. وقتی ما ساختار باند را کنترل می‌کنیم، به همه ویژگی‌های گرافن دسترسی داریم.

 
پیتر بگوگلد می‌گوید: "ما نشان داده‌ایم که می‌توانیم ساختار باند گرافنی را کنترل و طراحی کنیم که چگونه باید رفتار کند. وقتی ما ساختار باند را کنترل می‌کنیم، به همه ویژگی‌های گرافن دسترسی داریم - و ما در تعجبیم که برخی از ظریفترین اثرات الکترونیکی کوانتومی کارهای ما نشان می‌دهد که می‌توانیم جلوی کامپیوتر و اجزای سازنده و دستگاه های خود بنشینیم و چیز جدیدی را بنویسیم و سپس به آزمایشگاه برویم و آن را در عمل تحقق بخشیم." او ادامه می‌دهد:
"بسیاری از دانشمندان مدتهاست که تلاش برای نانو لیتوگرافی گرافن را در این مقیاس رها کرده‌اند و این بسیار تاسف آور است زیرا نانوساختاری، ابزار مهمی برای بهره برداری از ویژگی‌های هیجان انگیز الکترونیک گرافیک و فوتونیک است. اکنون ما متوجه شده‌ایم که چگونه می‌توان آن را انجام داد. می‌توان گفت که نفرین برداشته شده است. چالش‌های دیگری نیز وجود دارد، اما این واقعیت که ما می‌توانیم خواص الکترونیک گرافن را دوزندگی کنیم یک گام بزرگ در جهت ایجاد الکترونیک جدید با ابعاد بسیار کوچک است.»
 
مطالب، توسط دانشگاه فنی دانمارک ارائه شده است.
 
برگرفته از:
 
Bjarke S. Jessen، Lene Gammelgaard، Morten R. Thomsen، David MA Mackenzie، Joachim D. Thomsen، José M. Caridad، Emil Duegaard، Kenji Watanabe، Takashi Taniguchi، Timothy J. Booth، Thomas G. Pedersen، Antti-Pekka Jauho ، پیتر بگوگیلد. مهندسی ساختار نوار لایتوگرافی گرافن. نانوتکنولوژی طبیعت، 2019؛ DOI: 10.1038 / s41565-019-0376-3