אלקטרונים מסוגלים לנוע פי מאה מהר יותר בגראפן מאשר בצורן

האם נמצא התחליף לסיליקון שיאפשר בניית מחשבים חזקים יותר והמשך חוק מור?

פיסיקאים מאוניברסיטת מרילנד הראו כי בגראפן (graphene) גבול הניידות הפנימית, מדד לטיבו של חומר כמוליך חשמל, גבוה מכל חומר ידוע אחר בטמפרטורת החדר. גראפן, משטח בעובי של אטום אחד של גרפיט, הינו חומר חדש המשלב תכונות של מוליכים-למחצה ומתכות. תוצאות אלו, שפורסמו ברשת בכתב-העת "Nature Nanotechnology" מרמזות כי הגראפן יוכל להחליף בעתיד את המוליכים למחצה הנפוצים כיום, כגון צורן, ביישומים המשתרעים משבבי-מחשב מהירי-פעילות ועד חיישנים ביוכימיים.

צוות מחקר בראשותו של הפרופסור לפיסיקה מיכאל פורר (Fuhrer) מהמרכז האוניברסיטאי לננו-פיסיקה וחומרים מתקדמים, והמרכז לננוטכנולוגיה של אוניברסיטת מרילנד אומר כי הממצאים הינם המדד הראשון להשפעתו של רטט חומני על המוליכות של אלקטרונים בגראפן, וכי ההשפעה שנמדדה קטנה באופן יוצא דופן. בכל חומר, האנרגיה הקשורה לחום בו הוא מצוי גורמת לאטומים שבחומר לרטוט במקומם. כאשר האלקטרונים נעים בתוככי החומר, הם יכולים להשתחרר מאטומים רוטטים אלו, וליצור התנגדות חשמלית. התנגדות זו הינה מאפיין ייחודי של כל חומר וחומר: לא ניתן להעלימה לחלוטין אלא באפס המוחלט, ועל-כן הינה הגבול העליון למידת יעילותו של החומר כמוליך חשמלי.

בגראפן, האטומים הרוטטים בטמפרטורת החדר יוצרים התנגדות של כאחד מיקרואום/סנטימטר (התנגדות הינה מדד פיסיקלי ומוגדרת כהתנגדות של חלק מהחומר כפול אורכו חלקי חתך-האורך שלו). ערך זה הינו כשלושים אחוזים מההתנגדות של נחושת, החומר בעל ההתנגדות הנמוכה ביותר הידועה בטמפרטורת החדר. "רכיבי זיהומים שונים הקיימים בדוגמאות הגראפן של היום מוסיפים מידה מסוימת של התנגדות לגראפן," מסביר החוקר, "כך שההתנגדות הכוללת עדיין לא נמוכה כמו של הנחושת בטמפרטורת החדר. אולם, לגראפן יש מספר אלקטרונים נמוך יותר משל נחושת, כך שבגראפן הזרם החשמלי מובל ע"י מספר אלקטרונים מצומצם יותר הנעים מהר יותר מאשר בנחושת."

במוליכים-למחצה, מדד אחר, נִיעוּת [המוביליות, mobility, של חלקיק טעון בשדה חשמלי] משמשת לכימות מהירותם של האלקטרונים. גבול המוביליות של האלקטרונים בגראפן נקבע ע"י הרטט החומני של האטומים והוא כ- 200,000 cm2/Vs בטמפרטורת החדר, בהשוואה לערך בצורן – 1,400 ואינדיום אנטימוניד – 77,000, שהינם מוליכים-למחצה נפוצים בעלי המוביליות הגבוהה ביותר. "באופן מפתיע, במוליכים למחצה הבנויים מננו-צינורות פחמן, שניתן לראותם כשכבת גראפן המגולגלת למתן גליל, הראנו כי המוביליות בטמפרטורת החדר גבוהה מ- 100,000," אומר החוקר.

המוביליות קובעת את המהירות בה התקן אלקטרוני (כגון: טרנזיסטורים, המרכיבים הבסיסיים של שבבי המחשבים העכשוויים) יוכל להידלק ולהיכבות. המוביליות הגבוהה שלו מבטיחה כי גראפן יוכל לשמש ליישומים בהם הטרנזיסטורים נדרשים לפעילות מהירה ביותר, כדוגמת עיבוד של אותות בעלי תדרים גבוהים במיוחד. המוביליות יכולה להיות מתורגמת גם למוליכות של חומר ביחס למספר נשאי-המטען שלו, כך שמוביליות גבוהה מועילה גם ליישומי חישה כימיים וביולוגיים בהם אות טעון המגיע, לדוגמא, מתרכובת הקשורה להתקן, מתורגם לאות חשמלי באמצעות שינוי המוליכות של המרכיבים. לגראפן יוכלו להיות יישומים גם בתחומים של חוזק חומרים, עובי חומרים מוליכים, מוליכות חשמלית וציפויים שקופים.

החוקרים הראו כי אף על פי שגבול המוביליות בטמפרטורת החדר של גראפן גבוה עד כדי 200,000 cm^2/Vs, בדגימות של היום המוביליות המעשית המתקבלת היא רק כ- 10,000, כך שיש עוד מקום רב לשיפור. מאחר שעוביו של הגראפן הינו אטום אחד בלבד, הדגימות הנוכחיות חייבות להתמקם במצעים אחרים, במקרה הזה – צורן דו-חמצני. מטענים חשמליים הכלואים בצורן הדו-חמצני עצמו (המהווה במערך זה סוג של זיהום אטומי) יכולים להשפיע על האלקטרונים בגראפן ולהפחית את המוביליות שלהם. בנוסף, רטט של אטומי המצע עצמו יכולים להשפיע אף הם על הגראפן, השפעה גדולה יותר מזה שלו עצמו. החוקרים מאמינים כי בעתיד יהיה ניתן להפחית את ההשפעות השליליות הללו ולהעלימם כליל.

הודעה לעיתונות של חוקרי אוניברסיטת מרילנד