علم سرامیک

ترانزیستورهایی با ضخامت یک اتم و پهنای ده اتم توسط پژوهشگران بریتانیایی ساخته شده اند. عده ای پیش بینی کرده بودند که ترانزیستورهای مذکور که از مشتقات گرافین هستند روزی جای سیلیکون را به عنوان پایه ی محاسبات آینده بگیرند.

سیلیکون که تا به حال پا به پای قانون مور آمده است، در ابعاد زیر 10 نانومتر ساختارهای پایداری ندارد. جدیدترین تراشه های امروزی تنها 45 نانومتر ابعاد دارند. بنابراین وجودی جایگزینی برای سیلیکون به خوبی محسوس است.

گرافین ماده ای است که از ورقه های مسطح کربن ساخته می شود و آرایش آن مثل لانه ی زنبور می باشد. این ماده در حال حاضر اصلی ترین رقیب سیلیکون محسوب می شود. به تازگی، تیمی در دانشگاه منچستر از گرافین برای ساخت کوچک ترین ترانزیستورهای جهان استفاده کرده اند. ترانزیستورهایی که ابعادشان تنها یک نانومتر و متشکل از حلقه های کربنی اندکی می باشند. ابعاد ترانزیستورهای گرافینی قبلی بسیار بزرگتر و درحد ده نانومتر بوده است.

کوستیا نووسلف که به همراه همکارش اندری گیم توانستند گرافین را در سال 2004 کشف کنند، بیان کرد: "در گذشته یک سوال بزرگ این بوده است که از چه ماده ای می توان برای ساخت ترانزیستورهای کوچکتر استفاده کرد. در حال حاضر ترانزیستور گرافینی یکی از کوچکترین ترانزیستورهاست."

پیوندهای کربن-کربن گرافین یکی از قوی ترین پیوندها در طبیعت است. ساختار گرافین که شبیه لانه ی زنبور است به الکترون ها اجازه می دهد که با سرعت زیادی حرکت کنند. البته هنوز ساخت ترانزیستورهای گرافینی دشوار هستند. گرافین معمولاً آن رسانایی قابل کنترل که ترانزیستورها نیاز دارند تا جریان الکتریکی را کنترل کنند، ندارد. 

نووسلف و همکارانش دریافتند که "نقطه های کوانتومی" کوچک مشتق شده از گرافین می توانند خاصیت فوق الذکر را دربرداشته باشند. این نقطه های کوانتومی که ابعادشان تنها چند نانومتر می باشد به خاطر اثرات کوانتومی، الکترون ها را به دام می اندازد. به همین دلیل، استفاده از نقطه های کوانتومی در چنین ابعادی، دارای مزیت و برتری است.

اعمال یک میدان مغناطیسی به کوچک ترین نقطه های کوانتومی، اجازه عبور دوباره ی جریان را می دهد و یک ترانزیستور قابل کنترل را می سازد. کوچک ترین نقطه های کوانتومی که مانند ترانزیستورها کار می کنند، تنها پنج حلقه کربنی دارند یعنی شامل حدود ده اتم یا یک نانومتر پهنا می باشند.

به گفته نووسلف، انواع دیگر ترانزیستورهای آزمایشی در محدوده ی این ابعاد وجود دارند که معمولاً آنها را باید با گاز مایع سرد کرد. البته ابزارهای گرافینی جدید در دمای اتاق نیز کار می کنند.

نووسلف افزود: "این ترانزیستورهای آزمایشی معمولاً با درست کردن یک اتم در یک لحظه از زمان، یا اتصال مولکول های تنها به یکدیگر، ساخته می شوند که این روش پیچیده و غیر عملی می باشد."

وی همچنین گفت: "در مقابل، این ترانزیستورهای گرافینی با همان روشی که ابزارهای سیلیکونی ساخته می شوند، قابل ساخت هستند. این ترانزیستورها از قطعات بزرگتر گرافین مشتق شده اند. که این یک مزیت بزرگ آنها است."

انتونیو کاسترو از دانشگاه بوستون آمریکا می گوید: "شگفت انگیزترین نتیجه برای من این است که آنها قادرند به نقطه های کوانتومی به کوچکی یک نانومتر تبدیل شوند. این واقعاً باعث تحیر است. اگر شما تلاش کنید تا ابعاد هر ساختار دیگری را کاهش دهید، قبل از اینکه به ابعاد کوچکتر دست پیدا کنید، ساختارش متلاشی می شود."

وی افزود: "من شکی ندارم که این ساختارها می توانند برای کاربردهای فنی مورد استفاده قرار گیرند. انعطاف پذیری الکترونیکی و پایداری ساختاری ترانزیستورهای گرافینی که پایه ی پیشرفت وسایل امروزی هستند، در هیچ یک از سایر مواد روی زمین وجود ندارند. ولی هنوز ساخت ابزارهای گرافینی با ابعاد عملی به عنوان یک چالش باقی است."