V novém článku publikovaném v časopise Communications Engineering vědci z americké Národní laboratoře pro energetické technologie (NETL), University of Illinois Urbana-Champaign, Oak Ridge National Laboratory a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company ukazují, že uhlí může hrát zásadní roli v elektronických zařízeních příští generace.
Uhlíkové tečky (nový typ nanomateriálu s různorodými fyzikálně-chemickými vlastnostmi) vznikající přeměnou uhlí na uhlíkové disky v nanorozměrech lze spojit do atomárně tenkých membrán pro použití ve dvourozměrných tranzistorech a memristorech, což jsou technologie, které budou mít zásadní význam pro konstrukci pokročilejší elektroniky, uvedl server mining.com.
„Uhlí je obvykle považováno za něco objemného a špinavého, ale techniky zpracování, které jsme vyvinuli, ho mohou přeměnit na vysoce čisté materiály o tloušťce jen několika atomů,“ uvedl v prohlášení pro média spoluvedoucí výzkumu Qing Cao. „Jejich jedinečná atomární struktura a vlastnosti jsou ideální pro výrobu jedné z nejmenších možných elektronik s výkonem překonávajícím nejmodernější technologie.“
Cao vysvětlil, že v pokračujícím hledání menší, rychlejší a účinnější elektroniky budou posledním krokem zařízení vyrobená z materiálů o tloušťce pouhého jednoho nebo dvou atomů. Zařízení nemohou být menší než tato hranice a díky jejich malému měřítku často fungují mnohem rychleji a spotřebují mnohem méně energie. Ultratenké polovodiče jsou sice předmětem rozsáhlého studia, ale pro konstrukci funkčních elektronických zařízení, jako jsou tranzistory a memristory, je nutné mít také atomárně tenké izolátory – materiály, které blokují elektrický proud.
Atomárně tenké vrstvy uhlíku s neuspořádanou atomární strukturou mohou fungovat jako vynikající izolant pro konstrukci dvourozměrných zařízení. Vědci ve spolupráci ukázali, že takové uhlíkové vrstvy lze vytvořit z uhlíkových teček získaných z uhlí. Aby demonstrovala jejich schopnosti, skupina vědců pod vedením Cao vyvinula dva příklady dvourozměrných zařízení.
„Je to opravdu vzrušující, protože je to poprvé, kdy uhlí, něco, co obvykle považujeme za low-tech, bylo přímo spojeno se špičkou mikroelektroniky,“ řekl Cao.
Jeho skupina použila vrstvy uhlíku získané z uhlí jako dielektrikum hradla ve dvojrozměrných tranzistorech postavených na polokovovém grafenu nebo polovodičovém disulfidu molybdenu, což umožnilo více než dvakrát vyšší provozní rychlost zařízení při nižší spotřebě energie.
Další aplikací, kterou Caova skupina zvažovala, jsou memristory – elektronické součástky schopné ukládat data a zároveň s nimi pracovat, což výrazně zlepšuje implementaci technologie umělé inteligence. Tato zařízení ukládají a reprezentují data modulací vodivého vlákna vytvořeného elektrochemickými reakcemi mezi dvojicí elektrod, mezi nimiž je vložen izolátor.
Výzkumníci zjistili, že použití ultratenkých vrstev uhlíku jako izolantu umožňuje rychlou tvorbu takového vlákna s nízkou spotřebou energie, což umožňuje vysokou provozní rychlost zařízení při nízkém příkonu. Kromě toho kroužky atomární velikosti v těchto vrstvách uhlíku omezují vlákno, což zvyšuje reprodukovatelnost operací zařízení pro zvýšení věrnosti a spolehlivosti ukládání dat.
Nová zařízení vyvinutá skupinou Cao poskytují důkaz principu pro použití uhlíkových vrstev ve dvourozměrných zařízeních. Zbývá prokázat, že taková zařízení lze vyrábět ve velkém měřítku.
„Polovodičový průmysl, včetně našich spolupracovníků z Taiwan Semiconductor, má velký zájem o možnosti dvourozměrných zařízení a my se snažíme tento příslib naplnit,“ řekl Cao.