Grafen nanoribonlar: nanotransistörler ve kuantum bilgisayarlar için umut verici!
Kılavuz
Son zamanlarda, İsviçre Federal Malzeme Test ve Geliştirme Enstitüsü, Almanya'daki Max Planck Polimerler Enstitüsü ve diğer ortaklardan meslektaşlar önemli bir atılım gerçekleştirdiler. Gelecekte, hassas nano-transistörlerde ve hatta kuantum bilgisayarlarda kullanılacak.
arka fon
Grafen, hayatın her alanında çok popüler olan yeni malzemelerden biridir. Tek katmanlı karbon atomlarından oluşan bal peteği yapısıdır.Dünyanın bilinen en ince, en hafif ve en güçlü malzemesidir. "Yeni malzemelerin kralı" olarak bilinir ve tüm sektöre etkisi yıkıcı olacaktır. . Şu anda grafen, esnek elektronikler, yüksek verimli transistörler, sensörler, yeni malzemeler, piller, süper kapasitörler, yarı iletken üretimi, yeni enerji, iletişim, terahertz teknolojisi, tıbbi tedavi gibi birçok bilimsel ve teknolojik alanda kullanılmaktadır.
(Fotoğraf kredisi: Tatiana Shepeleva / Shutterstock)
Grafenin iletkenliği çok iyidir, hatta bakırın iletkenliğini bile aşar. Grafendeki karbon atomları benzersiz bir şekilde düzenlenmiştir ve elektronlar yüksek hızda kolayca geçebilir ve saçılmaya eğilimli değildir, bu nedenle diğer iletkenler gibi fazla enerji israf etmezler.
Bununla birlikte, grafenin mükemmel elektriksel iletkenliği de önemli bir sınırlama haline gelmiştir: yarı iletken uygulamaları için uygun değildir. Hepimizin bildiği gibi, silikon günümüzde en yaygın kullanılan yarı iletken malzemedir ve bant aralığı "açık" veya "kapalı" akım için kullanılacak kadar büyüktür. Bu yetenek, modern ikili bilgisayarların önemli bir bileşeni olan transistör için çok önemlidir. Ne yazık ki grafende böyle bir bant boşluğu yok.
Bununla birlikte, grafen nanoribbonları bu sınırlamayı aşabilir ve grafenin yarı iletken potansiyeline tam anlamıyla etki edebilir. Bu tür bir nanobelt sadece birkaç karbon atomu genişliğinde ve bir karbon atomu kalınlığındadır. Bu nanoribbon, şekline ve genişliğine bağlı olarak farklı elektronik özelliklere sahip olacaktır: iletken, yarı iletken ve yalıtkan.
(Resim kaynağı: Yves Rubin)
Yazar, bu amaçla, İsviçre Federal Malzeme Test ve Geliştirme Enstitüsü'nden (Empa) araştırmacıların, Almanya'daki Max Planck Polimer Araştırma Enstitüsü ve Berkeley'deki California Üniversitesi'nden araştırmacılarla birlikte, yalnızca 1 nanometre genişliğinde ve uzunlukta bir kumaş ürettiğini açıkladı. 50 nanometrelik bir grafen nanoribbondur ve yalnızca birkaç atom genişliğinde bir nanotransistör haline getirilmiştir.
(Resim kaynağı: Empa)
Yenilikçilik
Bugün, grafen nanoribbonlar kullanan İsviçre Federal Malzeme Test ve Geliştirme Enstitüsü'nün (Empa) "nanotech @ Surface" laboratuvarının liderliğindeki uluslararası bilimsel araştırma ekibinin elde ettiği yeni bilimsel araştırma sonuçlarına dikkat etmeye devam edelim.
Empa araştırmacıları, Almanya Mainz'deki Max Planck Polimer Araştırma Enstitüsü'ndeki meslektaşları ve diğer ortaklarla birlikte önemli bir atılım gerçekleştirdiler. Grafen nanoribonların şeklini benzersiz bir şekilde değiştirerek özelliklerini başarıyla ayarladılar. Bu teknolojinin benzersizliği, yalnızca yukarıda belirtilen geleneksel özellikleri değiştirmekle kalmayıp aynı zamanda benzersiz yerel kuantum durumları oluşturmak için de kullanılabilmesidir.
Gelecekte, hassas nano-transistörleri uygulamak için ve hatta yakın gelecekte kuantum bilgisayarlarda kullanılacaktır. Ekip, ilgili araştırma sonuçlarını Nature dergisinin son sayısında yayınladı.
teknoloji
Peki, bu araştırmanın arkasındaki mekanizma nedir? Grafen nanoribbonlarının genişliği değişirse, bu durumda genişlikte 7 atomdan 9 atoma kadar değişirse, geçiş sırasında özel bir bölge oluşturulacaktır. İki bölgenin elektronik özellikleri, özel "topolojik" yöntemlerinden dolayı farklı olduğundan, geçiş bölgesinde "korumalı" ve dolayısıyla çok sağlam olan yeni bir kuantum durumu üretilir. Bu yerelleştirilmiş elektronik kuantum durumu artık özelleştirilmiş yarı iletkenlerin, metallerin veya izolatörlerin üretiminin ve hatta kuantum bilgisayarların bir parçası olarak temel bir parçası haline gelebilir.
Grafen nanoribbonlar farklı genişliklerde bölümler içerdiğinde, geçiş bölgesinde sağlam yeni kuantum durumları üretilecektir. (Resim kaynağı: Empa)
Oliver Gröning liderliğindeki Empa araştırmacıları, farklı genişlikteki bölgeler düzenli olarak bu nanoribbonları oluşturmak için çok sayıda dönüşüm yoluyla dönüşümlü olursa, kendi benzersiz elektronik yapısına sahip birbirine bağlı kuantum durumları zincirinin oluşacağını kanıtlayabildiler. Heyecan verici olan şey, bu zincirin elektronik özelliklerinin farklı bölümlerin genişliğine göre değişmesidir. Bu, iletkenlerden farklı bant boşluklarına sahip yarı iletkenlere kadar ince ayar yapılmasını sağlar. Bu ilke, farklı tipteki geçiş bölgelerine, örneğin 7 atomdan 11 atoma uygulanabilir.
Bu zincirin elektronik özellikleri hassas bir şekilde ayarlanabilir. (Resim kaynağı: Empa)
Gröning, "Berkeley'deki California Üniversitesi'nde bizden bağımsız bir araştırma ekibi benzer sonuçlar elde etti. Bu gerçek, bu araştırma ve geliştirmenin önemini de vurguluyor." ABD ekibinin araştırması, Nature'ın aynı sayısında yayınlandı. Dergide.
Aşağıda, bu teknolojiyi daha sezgisel olarak anlamak için bu resmi kullanalım:
(Resim kaynağı: Empa)
Üst kısım (ilk sıra): Karışık bir nanoribbon oluşturmak için iki farklı öncül molekül kullanın. Soldaki (küçük) öncü molekül, 7 karbon atomu genişliğinde pürüzsüz bir nanoribbon oluşturur. Daha büyük öncü moleküller, 7 ila 11 karbon atomu genişliğinde elmas şekilli bölümler oluşturur.
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) (ikinci sıra): Ortada 5 "elmas" bölge (7-11 bölge) ve solda ve sağda 7 atom genişliğinde pürüzsüz nanoribonlar bulunan karışık grafen nanoribonlar. Siyah ölçek 1 nanometredir.
Taramalı tünelleme mikroskobu (üçüncü sıra): elmas şeklindeki alanın her iki ucundaki yerel kuantum durumlarının (parlak alanlar) mikroskop görüntüsü. Bölümler yukarıdaki AFM görüntüsüne karşılık gelir.
Tarama tüneli mikroskobik görüntüsünün simülasyonu (dördüncü sıra): Kuantum durumunun deneydeki "elmas" bölümünün her iki ucunda nasıl göründüğünün teorik tahmini.
değer
Yeni kuantum zincirine dayanarak, bilim adamları gelecekte hassas nano transistörler üretebilecekler ve bu da nanoelektronik hedefine doğru çok önemli bir adım olacak. Durum "1" ile durum "0" arasındaki anahtarlama mesafesinin yeterince büyük olup olmadığı, yarı iletkenin bant boşluğuna bağlıdır. Bu yeni yönteme göre, neredeyse isteğe göre ayarlanabilir.
Gerçekte, her şey o kadar basit değil. Bu zincirin istenen elektronik özelliklere, yüzlerce hatta binlerce atoma sahip olabilmesi için her birinin doğru yere yerleştirilmesi gerekir. Empanın araştırmacısı Gröning, "Karmaşık disiplinler arası araştırmalara dayanıyor. Dubendorf, Mainz, Dresden ve Troy (ABD) 'den araştırmacılar, teorik anlayış ve belirli bilgilerden (öncül Moleküllerin nasıl yapılandırılması gerektiği ve yüzeydeki yapıların seçici olarak nasıl büyüdüğü), yapısal ve elektronik analiz için taramalı tünelleme mikroskoplarının kullanımına. "
Günümüzde elektronik devreler daha da küçültülmektedir. Ultra küçük transistörler, bir sonraki geliştirme hedefi ve aynı zamanda bu araştırma için bariz bir uygulama olasılığı olacak. Teknik olarak son derece zorlu olmasına rağmen, nano transistörlere dayalı elektronik cihazlar temelde günümüzün mikroelektronik cihazlarıyla aynı şekilde çalışır. Empa araştırmacıları tarafından üretilen yarı iletken nanoribonlar, transistörlerin kanal kesitini bugün üretilenlerin binde birine küçültecek. Bununla birlikte, örneğin spintronik veya hatta kuantum bilgisi alanındaki diğer uygulama olasılıklarını daha da hayal edebiliriz.
Bunun nedeni, farklı genişliklerdeki grafen nanoribonların birleşim yerindeki elektronik kuantum durumlarının da manyetik bir moment taşımasıdır. Bu, bilgiyi elektrik yükü yoluyla işlememesine (daha önce olduğu gibi) değil, "dönüş" denen şeyi, yani "dönüş yönü" durumunu benimsemesine izin verir. İlgili gelişme daha da ileri gidebilir. Oliver Gröning, "Topolojik son durumların belirli kuantum zincirlerinin uçlarında üretildiğini gözlemledik. Bunlar kübitlerin bileşenleri olarak kullanılabilirler (kuantum bilgisayarlarda birbirine bağlı karmaşık bir durum)."
Ancak yakın gelecekte nanoribbonlar aracılığıyla bir kuantum bilgisayar inşa etmek mümkün olmadı ve daha yapılacak çok sayıda çalışma var. Gröning, "Bireysel kuantum durumlarının hedeflenen kombinasyonu yoluyla elektronik özelliklerin esnek şekilde ayarlanması, ultra küçük transistörler için yeni malzemelerin üretiminde büyük bir sıçramayı temsil ediyor." Bu malzemeler genel çevre koşulları altında stabildir ve bu nedenle gelecekte kullanılacaktır. Uygulamaların geliştirilmesinde önemli bir rol oynar.
Gröning şunları söyledi: Gelecekte, bu zincirleri yerel kuantum durumları oluşturmak için kullanmak ve bunları hedeflenen bir şekilde bağlamak da büyük bir potansiyele ve çekiciliğe sahip olacak, ancak bu potansiyelin gelecekteki kuantum bilgisayarlar tarafından gerçekten kullanılıp kullanılamayacağı henüz belli değil. Gözlemleyin. Nanoribbonlarda yerel bir topolojik durum yaratmak yeterli değildir. Nanoribbonlar, kübitlerin koşullarını gerçekten karşılamak için bir şekilde süperiletkenler gibi diğer malzemelerle de birleştirilmelidir. "
Anahtar kelime
Grafen, nanoribbonlar, transistörler, yarı iletkenler, kuantum
Referans
[1] https://www.empa.ch/web/s604/quantum-chains
[2]
