Tutkijat löysivät kemiallisen reitin grafeenielektroniikan valmistukseen

25.07.2017

Aalto-yliopiston, Utrechtin yliopiston ja Delftin teknillisen yliopiston tutkijat onnistuivat koodaamaan sähkövirtapiirin rakenteen atomin tarkkuudella.

graphenenanoribbon1web.png

Lähtöainemolekyylit muutetaan kemiallisen synteesin avulla tarkasti kontrolloiduiksi nanorakenteiksi. Kuva: Aalto-yliopisto, Utrechtin yliopisto ja Delftin teknillinen yliopisto

Ihmemateriaaliksikin kutsuttu, yhden hiiliatomin paksuinen grafeeni on maailman vahvin tunnettu aine ja paras sähkönjohde huoneenlämmössä. Tutkijat ympäri maailmaa työskentelevätkin ankarasti löytääkseen sille uusia käyttökohteita. Koska grafeenilla itsessään ei ole sähkövirran päälle- ja poiskytkemiseen vaadittavia ominaisuuksia, sen hyödyntäminen elektroniikassa edellyttää uusia ratkaisuja.

”Olemme onnistuneet valmistamaan grafeenirakenteita atomin tarkkuudella. Valitsemalla sopivia lähtöaineita pystyimme koodaamaan sähkövirtapiirin rakenteen äärimmäisen tarkasti”, selittää Aalto-yliopiston professori Peter Liljeroth.

Grafeenin sähköisiä ominaisuuksia voidaan hallita syntetisoimalla siitä erittäin kapeita grafeeni-nanonauhoja. Aikaisemmissa tutkimuksissa on osoitettu, että nauhojen sähköiset ominaisuudet riippuvat siitä, kuinka monen atomin levyinen se on. Viiden atomin levyisenä nauha on poikkeuksellisen hyvin johtava sähkönjohdin, mutta kahden atomin lisääminen tekee siitä puolijohteen.

”Pystyimme saumattomasti liittämään seitsemän atomin levyisen nauhan viiden atomin levyiseen. Näin syntyi puolijohde-metalli-liitos, joka on elektronisten komponenttien peruspalanen”, sanoo Ingmar Swart Utrechtin yliopistosta.

graphnenanoribbon2web.png

Puolijohde-metalli-liitos yksittäisessä grafeeninanonauhassa.  Nauhan atomirakenne ja sähköinen rakenne voidaan selvittää atomin tarkkuudella mikroskooppitekniikoiden avulla. Kuva: Aalto-yliopisto, Utrechtin yliopisto ja Delftin teknillinen yliopisto

Kemiaa pinnalla

Tutkijat valmistivat grafeenirakenteet kemiallisen reaktion avulla. He höyrystivät lähtöainemolekyylejä kultapinnalle, jossa ne reagoivat kontrolloidusti ja muodostivat uusia kemiallisia yhdisteitä.

”Tämä on erilainen metodi kuin se, mitä tällä hetkellä hyödynnetään sähköisten komponenttien, kuten tietokoneen sirujen, valmistuksessa. Grafeenin kanssa on olennaista, että rakenne pystytään valmistamaan atomin tarkkuudella, joten on luultavaa, että kemiallinen reitti on ainoa tehokas tapa”, Ingmar Swart korostaa.

Tutkijat hyödynsivät atomiresoluutioon pystyviä mikroskopioita selvittääkseen valmistamiensa rakenteiden sähköiset ominaisuudet.

”Tämä on ensimmäinen kerta, kun pystyimme luomaan esimerkiksi tunneliliitoksen, jossa jokaisen atomin paikka on tarkkaan määritelty. Samaan aikaan tehtyjen sähkövirran mittausten ansiosta voimme myös verrata teoriaa ja käytäntöä hyvin kvantitatiivisella tasolla”, Liljeroth selittää.

Tutkimusta rahoittivat Suomen Akatemia, Euroopan tutkimusneuvosto ERC ja NWO Graduate Programme.

Artikkeli: P.H. Jacobse, A. Kimouche, T. Gebraad, M.M. Ervasti, J.M. Thijssen, P. Liljeroth and I. Swart, Electronic components embedded in a single graphene nanoribbon, Nature Communications.

Linkki artikkeliin (nature.com)

Lisätietoja:

Professori Peter Liljeroth
p. 050 363 6115
peter.liljeroth@aalto.fi
http://physics.aalto.fi/groups/stm/