מעגלים חשמליים מפחמן מתכתי לשם פיתוח טרנזיסטורים מהירים ויעילים יותר

טרנזיסטורים המבוססים על פחמן ולא על סיליקון יוכלו להאיץ את מהירות המחשוב ולצמצם את צריכת האנרגיה של מכשירים כגון מחשבים, טלפונים ניידים ודומיהם

[תרגום מאת ד"ר משה נחמני]

תמונת מיקרוסקופ מנהור סורק של ננו-רצועת גרפן מתכתית בפס-צר. הכתמים הלבנים מתייחסים לאורביטלות המאוכלסות באלקטרון יחיד שאורגנו באופן מוקפד לשם ייצור מצבים מוליכים ארוכי טווח. הרוחב של רצועה זו הוא 1.6 ננומטרים בלבד. [באדיבות: Daniel Rizzo מאוניברסיטת ברקלי]

צוות כימאים ופיזיקאים מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי הצליח לפתח את הכלי המתקדם ביותר בתחום הטרנזיסטורים – תיל מתכתי העשוי כול כולו מפחמן. "פעילות עם אותו החומר, כלומר חומרים מבוססי פחמן, הוא המאפשר לפתח את הטכנולוגיה הזו כעת", מסביר פליקס פישר, פרופסור לכימיה מאוניברסיטת ברקלי, תוך שהוא מוסיף ומסביר כי הייצור של כל רכיבי המעגל החשמלי מאותו חומר הופך את תהליך הייצור לפשוט וקל יותר.

תילים מתכתיים – בדומה לחוטים המתכתיים המשמשים לחיבור טרנזיסטורים בשבב מחשב – מעבירים זרם חשמלי מהתקן אחד להתקן שני וכן מחברים את הרכיבים המוליכים למחצה בתוך הטרנזיסטורים, אותם אבני בניין של מחשבים.

קבוצת המחקר מאוניברסיטת ברקלי חוקרת מזה שנים אחדות כיצד לייצר מוליכים למחצה ומבודדים מננו-רצועות גרפן, שהן פסים צרים וחד-ממדיים העשויים מגרפן חד-אטומי, מבנה המורכב כול כולו מאטומי פחמן בלבד המאורגנים בדפוס של משושים מחוברים, בדומה לגדר של לול תרנגולים.

המתכת החדשנית, המבוססת על פחמן בלבד, היא גם ננו-רצועת גרפן, אולם היא תוכננה כך שתוכל לשמש בעיקר עבור הזרמת אלקטרונים בין ננו-רצועות מוליכות למחצה בטרנזיסטורים העשויים מפחמן בלבד. ננו-רצועות המתכת נבנו על ידי צירופם יחדיו של אבני בניין קטנים יותר וזהים – בגישה של 'עיצוב מטה-מעלה', מציין אחד מהחוקרים. כל אחד מאבני הבניין תורם אלקטרון יחיד המסוגל לנוע באופן חופשי לאורך הננו-רצועה.

הגם שחומרים מבוססי פחמן אחרים – כגון יריעות דו-ממדיות נרחבות מגרפן וננו-צינורות פחמן – יכולים להיות מתכתיים, יש להם את החסרונות שלהם. עיצוב יריעה דו-ממדית לרצועות ננומטריות, לדוגמה, הופכת אותה באופן ספונטני לחומר מוליך למחצה, או אפילו, במקרים מסוימים, לחומר מבודד. ננו-צינורות פחמן, המהווים מוליכים מצוינים, לא ניתנים לייצור באותן רמות דיוק והדירות בכמויות גדולות. "ננו-רצועות מאפשרות לנו גישה כימית לטווח נרחב של מבנים המיוצרים בגישת מטה-מעלה, דבר שאינו אפשרי עדיין עם ננו-צינורות", מסביר החוקר. "עובדה זו אפשרה לנו למעשה לחבר אלקטרונים יחדיו לשם הייצור של ננו-רצועה מתכתית, דבר שלא נעשה בעבר. זהו אחד מהאתגרים הגדולים ביותר בתחום הטכנולוגיה של ננו-רצועת גרפן, והעובדה שאנו כה נרגשים באשר לממצאים שלנו".

"אנו סבורים כי התילים המתכתיים אכן מהווים פריצת דרך; זוהי הפעם הראשונה אי-פעם שאנו מסוגלים ליצור מוליך מתכתי צר במיוחד המתפקד בתור מוליך מעולה, וכל זאת מתוך חומרים המבוססים על פחמן בלבד, מבלי הצורך באילוח חיצוני", מסביר החוקר הראשי.

ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת המדעי היוקרתי Science.

להודעה של אוניברסיטת קליפורניה בברקלי