Onderzoekers brengen efficiënte grafeentransistors dichterbij

Onderzoekers hebben een meerlaags-grafeenprototype gemaakt waarbij de elektrische eigenschappen van het materiaal veel beter zijn aan te passen dan bij voorgaande projecten. Dit brengt de toepassing van grafeentransistors dichterbij.

De wetenschappers van de Universiteit van Manchester legden twee lagen grafeen tussen lagen boornitride. Omdat de grafeenlagen volledig omringd waren door het boornitride, kon het onderzoeksteam zo onderzoeken hoe het materiaal zich gedraagt als het niet wordt beïnvloed door omstandigheden van buitenaf.

Volgens teamleider Leonid Ponomarenko zijn de elektrische eigenschappen van grafeen hierdoor te benutten op een manier die voorheen nog niet binnen handbereik was. "Tot dusver hebben mensen grafeen nooit als isolator gezien, tenzij het materiaal met opzet beschadigd werd. Wij hebben grafeen van hoge kwaliteit voor de eerste keer tot isolator gemaakt."

Volgens hem vormt de nieuwe structuur het beste grafeenplatform tot nu toe voor gebruik voor toekomstige electronica en worden problemen op het gebied van instabiliteit en kwaliteit er effectief mee opzijgezet. Binnen enkele maanden zouden er transistors kunnen verschijnen van grafeen dat door boornitride is ingekapseld. Die transistors moeten dan een betere capaciteit hebben dan voorgaande grafeenschakelingen. Resultaten van het onderzoek verschijnen in tijdschrift Nature Physics.

Reacties (13)

[straider]

Wij hebben grafeen van hoge kwaliteit voor de eerste keer tot isolator gemaakt.

Het is maar net wat je hier onder isolator verstaat, een ideale isolator bestaat immers niet. De reden dat grafeen slecht geschikt is voor (FET) transistoren komt doordat de ON/OFF ratio niet erg groot is. Met andere woorden, een hedendaagse transistor in een computerchip zal in de OFF stand een fractie van een miljoenste van de stroom doorlaten in vergelijking tot de ON stand, dit bij grafeen misschien enkele duizenden is. Deze eigenschap is essentieel als je je processor koel wilt houden met de miljoenen transistoren op een paar mm^2.

De reden dat silicium transistoren deze hoge ON/OFF ratio kunnen bereiken ligt in het feit dat er een gat tussen de elektronenschillen zit (zogenaamde bandgap) waar er (vanwege kwantummechanische eigenwaarden, Pauli principe etc) geen elektronen kunnen zitten. Grafeen heeft geen bandgap. Maar heeft in plaats van een band, een puntgap. Omdat er (simpel gezegd) altijd ladingen zijn die net boven of net onder dit punt zitten, vanwege temperatuur en omgevingsladingen, zul je altijd een aantal ladingen hebben die zorgen dat het grafeen een beetje stroom geleidt. De truc bij grafeen is dus om precies in dit punt te gaan zitten, zodat het zo veel mogelijk isoleert in de OFF stand. DIT is de reden waarom ze Boron nitride gebruiken, aangezien de structuur van boron nitride erg veel lijkt op grafeen, en het daarom grafeen heel stabiel maakt omdat er weinig ladingen vanaf de boron nitride laag invloed uitoefenen op het grafeen. Dit zorgt dat het Fermi niveau precies op de puntgap ligt.

Het is een HEEL gepiel wil je een boron nitride flake vinden die atomisch vlak is, daarna een laagje van 1 atoom dik koolstof (grafeen) daarop plaatsen, en vervolgens weer een atomisch vlak laagje boron nitride er bovenop leggen.. (ik heb iemand het eens zien doen). Denk aan 2 week werk voor 1 transistor.

Complete processoren binnen enkele maanden is dus simpelweg onmogelijk als je naar het productieproces kijkt dat ze in Manchester hebben toegepast. De echte revolutie komt pas wanneer er zuiver grafeen en substraat (zoals boronnitride) zonder roosterdefecten gegroeid kan worden. Wel kan je kijken naar andere applicaties zoals enkele transistoren voor speciale toepassingen zoals hoogfrequente ontvangers voor bijv. glasvezelkabels.

[Reactie gewijzigd door straider op 23 juli 2024 01:13]

[Verwijderd]

"Binnen enkele maanden zouden er transistors kunnen verschijnen van grafeen dat door boornitride is ingekapseld. "

Dat is bijzonder snel. Ik neem aan dat mijn dan bedoelt in een laboratorium en nog niet op de halfgeleider markt. Dat zal nog wel een aantal jaren langer duren.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 01:13]

[Rob Coops]

Ik denk het inderdaad ook, ik kan me niet voor stellen dat waar eigenlijk ieder onderzoeksinstituut dat een nieuw artikel publiceert roept dat het nog enkele jaren gaat duren voor je dit commercieel toegepast zal zien worden deze club het in een paar maanden voor elkaar krijgt.

Wel goed om te horen dat we weer een stapje dichterbij de grafeen transistor zijn gekomen. De voordelen mogen duidelijk zijn grafeen kan simpel weg heel erg veel sneller schakelen dan onze huidige transistors en dus kun je in ieder geval in theorie een veel snellere schakeling maken die de 10GHz grens met relatief gemak kan door breken terwijl je de lek stromen kan beperken en dus de prestaties per watt flink kan verhogen.

Ik neem aan dat we uiteindelijk toch echt met grafeen transistors zullen gaan werken al zal het denk ik nog wel een jaartje of twintig a dertig duren voor we de eerste echte producten zien die op deze manier werken, simpel weg omdat er nog voldoende rek zit in de huidige technieken om altijd maar kleiner en sneller te werken en dus de grote spelers op de markt er nog niet voldoende aanleiding to hebben om er de miljarden in te steken die nodig zijn om grafeen tot bruikbaar alternatief te maken.

[i-chat]

20 30, gok maar liever op 5 a 10 mits dat de ontwikkelingen met grafeen ongeweizigd snel blijven gaan.

kans is dat je over 20 jaar al niet anders meer hebt dan grafeenchips en eventueel nog een alternatief voor lichtschakelingen...

vervolgens zeg je dat er voldoende rek is in het huidige.. wat dus absoluut niet zo iets, we staan immers al jaren stil op en rond de 3ghz. sneller wil het allemaal niet en echt effcienter zijn die 6 en 8 core chips ook niet in de meeste situaties.

bovendien zitten we nu nog maar een paar nanometer verweiderd van wat men beschouwd als het minimum

als je daar tegenover zet dat je met minder stroom en ongeveer dezelfde ontwikkelkosten wel die 10ghz core7 kunt maken dan is de keuze snel gemaakt eens er massa productie mogelijk is...

en ik meen in een vorrig artiekel te hebben gelezen dat ze ook daar al aardig ver mee waren

[Reactie gewijzigd door i-chat op 23 juli 2024 01:13]

[Sissors]

Nou zet dat maar weer terug naar 20-30 jaar. Oké misschien iets sneller, maar 5-10 jaar is compleet onrealistisch. CMOS ontwerp staat ook niet stil, we kunnen nog wel wat jaren vooruit voordat we echt op fysische limieten vast komen te zitten en volgens mij is die 3GHz meer een design beslissing dan dat het onmogelijk zou zijn een processor te maken die op 10GHz werkt. Maar waarom zou je dat doen als je een processor kan maken die gewoon beter is, ook al werkt hij maar op 3GHz?


Dat grafeen dezelfde ontwikkelkosten zou hebben is wishfull thinking, dat gaat je enorm veel meer kosten, voorlopig blijven ze echt wel vrolijk hun miljarden in CMOS stoppen, dat wel resultaten produceert. En met minder stroom? Die dingen zijn nu echt nog zo lek als een mandje, je kan ze nagenoeg niet uitzetten.

Op termijn wordt grafeen mogelijk beter, al vraag ik me af in hoeverre het een hype is. De komende 15-20 jaar echt niet.

[Reactie gewijzigd door Sissors op 23 juli 2024 01:13]

[Blokmeister]

Omdat de grafeenlagen volledig omringd waren door het boornitride, kon het onderzoeksteam zo onderzoeken hoe het materiaal zich gedraagt als het niet wordt beïnvloed door omstandigheden van buitenaf.

Dat boornitride lijkt me een behoorlijke omstandigheid van buitenaf. Volgens theorie is compleet geisoleerd grafeen een metaal met een ongelofelijk hoge electronmobiliteit. Dat ze het nu als isolator hebben laten gedragen vind ik een behoorlijke verstoring.

[arjankoole]

De theorie zegt geisolleerd grafeen. Daar heb je dus een isolator voor nodig, dus het boornitride.

Omstandigheden buitenaf doelt dan ook op: los van het grafeen en los van de isolator.

Grafeen is overigens geen metaal. Het is pure koolstof, met de atomen op een bepaalde manier gerangschikt. (honingraat). Dat maakt het 200 sterker dan staal.

[M.M]

Aanvulling: Bij grafeen zijn de koolstofatomen weliswaar gerangschikt in een honingraat structuur maar in één vlak ( twee dimensies ). In een drie-dimensionale honingraat structuur heet het diamant.

[aadje93]

grafeen is geen metaal

maar idd, een geleider die "zonder invloeden van buitenaf" (tussen 2 lagen boornitride) een isolator word.... beetje verstoring van het oorspronkelijke doel.

Als ze bedoelen een half geleider maken met betere prestaties qua instabiliteit (dus in theorie is snelheid van de cpu dan vele malen hoger te krijgen met lagere voltages ~ warmte) dan kan ik me daarin vinden. Maar beetje onduidelijk wat er nu precies gedaan is.

Maar mooi dat er meer onderzoek komt naar grafeen

[Jaco69]

"maar idd, een geleider die "zonder invloeden van buitenaf" (tussen 2 lagen boornitride) een isolator word.... beetje verstoring van het oorspronkelijke doel."

In somige omstandigheden super geleidend en soms isolerend. Dat is dan een super half-geleider.

Een hoge electronmobiliteit plus een hoge bandgap maakt nog steeds een isolator. (of zoiets)