Na výrobu tranzistorov sa používajú materiály zvané polovodiče, ktoré za
istých podmienok dokážu meniť svoje vlastnosti z izolantov na vodiče a
naopak. Pri správnej teplote a dodaní istého množstva energie umožňujú
vedenie elektrónov.
Väčšina dnešných elektronických čipov využíva tranzistory vyrobené z
kremíka, no tento materiál sa dostáva na hranicu svojich možností,
uvádza Walt de Heer z Georgijského inštitútu technológie, hlavný autor
štúdie zverejnenej minulý týždeň v časopise Nature. Limity, na ktoré
kremík naráža, je maximálna rýchlosť prepínania medzi zapnutým (vodivým)
a vypnutým (nevodivým) stavom tranzistoru, množstvo tepla vznikajúce
elektrickým odporom a najmenšia možná veľkosť tranzistorov.
Vedci na tvorbu nového materiálu použili tzv. epitaxiálny grafén. Tento
typ grafénu má atómy uhlíka usporiadané do šesťuholníkovej mriežky,
jediná vrstva atómov uhlíka sa potom chemicky spojí s atómami karbidu
kremíka a spoločne vytvoria materiál s desaťnásobne vyššou mobilitou
elektrónov ako čistý kremík. Vyššia mobilita elektrónov znamená, že
materiál pri vedení elektrického prúdu kladie elektrónom menší odpor, čo
znamená menšie zahrievanie sa materiálu, a tým aj menšie straty
energie. Takýto materiál je preto schopný fungovať pri vyšších, rádovo
teraherzových frekvenciách, ktoré desaťnásobne prevyšujú v súčasnosti
používané tranzistory vyrábané z kremíka, dodáva štúdia.
Grafén však napriek svojim výhodným vlastnostiam v minulosti nikdy nebol
využitý ako polovodič. Nemá totiž žiadne tzv. zakázané pásmo – čo je
energetický rozdiel medzi valenčným a vodivostným pásmom tuhej látky,
inými slovami to predstavuje minimálne množstvo energie potrebné na to,
aby sa z izolantu stal vodič. Práve zakázané pásmo umožňuje, že sa
tranzistor zapína a vypína a striedavo vedie a nevedie prúd. Grafén
preto bolo potrebné upraviť, aby zakázané pásmo získal. V minulosti však
tieto úpravy zhoršovali jeho ostatné vlastnosti.
Vedcom sa zhoršovaniu vlastností podarilo zabrániť pomocou špeciálnych
pecí a cyklov zohrievania a ochladzovania pri tepelnom spracovaní
materiálu. Atómy uhlíka po spojení s kremíkom "dotujú" systém elektrónmi
a spoločne vytvárajú polovodič so zakázaným pásmom.
Prechod z výroby čisto kremíkových polovodičov na kremíkovo-grafénové
polovodiče je podľa de Heera pomerne ľahko uskutočniteľný a otvára dvere
k výrobe kvantových počítačov.
"Elektróny v graféne majú, podobne ako svetlo, vlastnosti podobné
vlnám z kvantovej mechaniky, ktoré možno využiť najmä pri extrémne
nízkych teplotách," uvádza de Heer. Schopnosť materiálov viesť
elektrinu a klásť pritom prechodu elektrónov nemerateľne malý odpor sa
nazýva supravodivosť. Nevýhodou však je, že na vytvorenie supravodivosti
sú v súčasnosti potrebné extrémne podmienky s teplotou blížiacou sa
absolútnej nule.
De Heer dodáva, že grafénové polovodiče ešte len musia dokázať, že sú
skutočne lepšie ako supravodivosť aktuálne využívaná v najpokročilejších
kvantových počítačoch. A práve to chcú vedci zistiť v rámci ďalšieho
výskumu.