Grafen je materiál složený pouze z jedné nebo dvou vrstev atomů uhlíku, uspořádaných do pravidelné hexagonální struktury. Zatímco jednoatomární vrstva grafenu bez příměsí vykazuje vysokou elektrickou vodivost a efektivní hmotnost elektronů klesá k nule, dvouatomární vrstva se chová podobně jako polovodič s malou šířkou zakázaného pásu, která však může být ovládána externím elektrickým polem. Ke grafenu se váže hned několik prvenství. Elektrony v tomto materiálu dosahují nejvyšší pohyblivosti ze všech známých materiálů. Grafen je nejtenčí a současně nejpevnější materiál na světě. Pevnost grafenu si můžeme představit na příkladu, kdy máme 100 μm tlustou membránu – tedy jen o málo tlustší než lidský vlas. Pokud by atomy této vrstvy byly vázány stejně pevně jako atomy grafenu, pak bychom potřebovali sílu asi 20 kN k jejímu proříznutí. Přestože od napsání úvodního bulletinu o grafenu uplynul relativně krátký čas, výzkum tohoto materiálu a zejména elektronických součástek od té doby zaznamenal překvapivý pokrok. Grafen je nyní jedním z nejintenzívněji zkoumaných materiálů na světě. V dnešním bulletinu si představíme některé zásadní kroky dalšího vývoje.
|
Hmotnost efektivní elektronu – – zdánlivá hmotnost elektronu v krystalové mříži. Pokud se elektron pohybuje krystalovou mříží určitého materiálu, působí na něj elektrické síly atomu, poblíž kterého se elektron zrovna vyskytuje. Elektron pak reaguje na vnější elektrická a magnetická pole tak, jako by měl hmotnost lišící se od jeho klidové hmotnosti. Taková hmotnost se nazývá efektivní hmotnost; může být různá v různých směrech, obecně se jedná o tenzorovou veličinu. Zakázaný pás – interval energie ve kterém se nemůže nacházet žádný ze stavů elektronů v krystalové mříži. Podle šířky zakázaného pásu rozdělujeme látky na vodiče (mají nulovou šířku zakázaného pásu), polovodiče (zakázaný pás nenulový avšak menší než 3 eV) a izolanty (zakázaný pás je větší než 3 eV). |
| Stručná historie grafenu |
Grafen se poprvé podařilo vyrobit v roce 2004 vědcům z Univerzity v Manchesteru (Velká Británie) a Ústavu pro mikroelektronické technologie v Černogolovce (Rusko). Teoreticky však byly tyto dvojrozměrné struktury studovány o mnoho desítek roků dříve, ale fyzikové se tehdy domnívali, že jednoatomární vrstvy by byly velmi nestabilní. Důvodem byly tepelné kmity krystalové mřížky, které měly být natolik silné, že by docházelo k přemisťování atomů a přeměně částí jednoatomární vrstvy do nanotrubic a fulerenových struktur. Tento názor byl vyvrácen až v roce 2004. Nyní probíhají experimenty s grafenovými tranzistory a s ovlivňováním vlastností grafenu za pomocí vhodných dopantů.
 |
| Uspořádání atomů uhlíku v grafenu. |
| Rok | Popis | Instituce |
| 2004 | Grafen byl poprvé vyroben a jeho vlastnosti tak mohly být zkoumány experimentálně. Ve stejném roce byl demonstrován princip polem řízeného tranzistoru vyrobeného z grafenu. | University of Manchester, Institute for Microelectronics Technology (Černogolovka, Rusko) |
| 2007 | Prokázána nastavitelná šířka zakázaného pásu dvojvrstvé grafenové struktury. | Universidade do Porto, University of Manchester a další |
| 2008 | Vyroben polem řízený tranzistor pracující na frekvenci 26 GHz. | Laboratoře IBM |
| 2008 | Grafen lze změnit z velmi dobrého vodiče v izolant pomocí dopování vodíkem. | University of Manchester |
| 2009 | První logický obvod – invertor pracující na frekvenci 10 kHz. | L-NESS (Miláno, Itálie) |
| Grafenový tranzistor |
Přestože první grafenový tranzistor byl vyroben již ve stejném roce, kdy byl poprvé vyroben grafen, tak jeden z prvních tranzistorů schopných pracovat na frekvenci v řádu GHz se podařilo vyvinout vědcům v laboratoři IBM teprve nedávno (2008). Jedná se o polem řízený tranzistor (podobně jako křemíkový MOSFET). Jako základní materiál slouží křemíková destička s tenkou povrchovou vrstvou oxidu křemičitého. Grafen je vytvořen technologií postupného mechanického „odlupování“ atomárních vrstev uhlíku až do fáze, kdy na povrchu vrstvičky oxidu křemičitého zůstane pouze jediná atomární vrstva. Tato technologie je však vhodná pouze pro laboratorní účely a neumožňuje vytvářet velkoplošný grafen. Vodivé elektrody byly vytvořeny z paladia pomocí elektronové litografie. Délka vodivého kanálu v grafenu je 150 nm. Mezní frekvence, při které tranzistor přestává zesilovat, závisí nepřímo úměrně na délce vodivého kanálu. V případě tohoto tranzistoru dosahuje mezní frekvence hodnoty 26 GHz. Než ale bude možné z podobných tranzistorů realizovat například mikroprocesor v počítači, bude třeba překonat mnohé technologické bariéry. Jednou z nich je malý poměr proudů tranzistoru v sepnutém a v rozepnutém stavu.
 |
| Schematické znázornění průřezu grafenového tranzistoru. Elektrody jsou označeny S (Source), D (Drain) a G (Gate). |
 |
| Fotografie grafenového tranzistoru. |
 |
| Vložený graf ukazuje vliv délky kanálu tranzistoru na jeho mezní frekvenci. Vnější graf znázorňuje frekvenční závislost zesílení tranzistoru. |
| První integrovaný obvod |
První funkční grafenový integrovaný obvod se podařilo vyrobit vědcům v laboratoři L-NESS v Milánu. Je jím invertor složený ze dvou tranzistorů. Invertor byl vyroben na grafenové jednovrstvě. Běžně známý invertor vyrobený CMOS procesem obsahuje dvojici křemíkových MOSFET tranzistorů s N a P kanálem. Rozdílný typ vodivosti jejich kanálů je dosažen rozdílným typem dotace křemíku. Tranzistory vyrobené z grafenu s rozdílnou odezvou na hradlové napětí byly realizovány pomocí selektivního elektrického ochlazování. Jeden z tranzistorů, který slouží jako tranzistor s P kanálem zůstal nezměněný a N tranzistor byl elektricky ochlazován. Při tomto procesu se na tranzistor připojí elektrické napětí. Tranzistorem protéká proud, čímž dojde k jeho ohřátí a zvýšení difúze P dopantů. Postupným snižováním napětí se materiál ochlazuje až na pracovní teplotu a proces difúze se zastaví. Tímto způsobem došlo ke snížení koncentrace dotací, k posuvu Fermiho hladiny tranzistoru a ten se již dále choval jako tranzistor s N kanálem. Invertor byl úspěšně testován při frekvenci vstupního signálu 10 kHz. Napájecí napětí a vstupní úrovně invertoru byly 3,3 V, tedy kompatibilní se současnými CMOS obvody. Na výstupu však bylo dosaženo rozdílu logických úrovní pouze 0,15 V. Frekvenční limit 10 kHz je způsoben vysokou vstupní kapacitou zařízení měřícího výstupní napětí invertoru. Zdroj [5] uvádí možnost zvýšení frekvence vstupního signálu až na 4,5 GHz v případě zatížení invertoru dalším ekvivalentním hradlem.
 |
| Vlevo: schéma invertoru. Vpravo: závislosti odporu kanálů tranzistorů na hradlovém
napětí. Booleovská funkce obvodu je zaručena pouze pro vyznačený rozsah vstupních napětí. |
| Aplikační potenciál |
Současný stupeň miniaturizace a integrace křemíkových součástek v integrovaných obvodech se zdá být blízko hranice, pod kterou tyto obvody již nebudou schopny pracovat. K problémům této technologie patří například příliš velký odpor (malý průřez) signálových cest, velké svodové proudy (zanedbatelné u jedné součástky ale ne u miliardy součástek), odvod tepla a další, které se týkají přímo fyzikálních principů tranzistorů. Grafen se vyznačuje vysokou tepelnou i elektrickou vodivostí. Tyto vlastnosti je možno využít například u signálových cest v obvodech s vysokou integrací. Zvláště zajímavá je modulace šířky zakázaného pásu vnějším elektrickým polem v rozsahu zatím přibližně od 0 do 200 meV. V takovém polovodiči se ale bude výrazně uplatňovat vlastní vodivost, kdy elektrony z valenčního pásu mohou pod vlivem tepelných excitací přecházet do vodivostního pásu. Tento problém lze potlačit dotací grafenu vhodným prvkem. Nedávné experimenty ukazují, že grafen dotovaný vodíkem se může změnit z velmi dobrého vodiče v izolant. V budoucnu se tedy může stát, že na jeden čip bude možné integrovat digitální obvody s tranzistory, signálové cesty, izolační cesty a optoelektronické součástky vyrobené ze stejného materiálu – z grafenu.
Zdroje:
