۶ آگوست ۲۰۱۲

 گرافن از تمام موانع می‌گذرد

رومن سوردن، رهبر گروه در  Politecnico di Milano در کومو توضیح می‌دهد که این قطعات، هم‌چنین اولین گیت‌های منطقی ِ گرافینی هستند که با سیگنال‌های ورودی و خروجی با پتانسیل‌های جفت‌شده کار می‌کنند. چنین چیزی اولین پیش‌نیاز برای استفاده‌ی کاربردی چنین گیت‌هایی می‌باشد. او می‌گوید «به‌علاوه، گیت‌های ما، با نوعی گرافین یک‌پارچه شده‌اند که بر سطوح بزرگ نیز می‌توان آن را رشد داد؛ بنابراین، راه برای تولید انبوه ِ اجزای الکترونیکی که برپایه‌ی ِ کربن‌اند، هم‌وار خواهد شد.»

برای ادامه‌ی تولید کامپیوترهای پرقدرت‌تر در آینده، اجزای الکترونیکی باید قادر باشند کارهای ساده‌ی منطقی را سریع‌تر از هر زمانی انجام دهند. ریزتراشه‌های سیلیکونی متداول درگیر محدودیت ِ سرعت ِ حرکت ِ الکترون در ماده‌اند؛ شاخصی که با نام تحرک‌پذیری حاملان شناخته می‌شود. معمولا ً گرافین –صفحه‌‌ای از اتم‌های کربن که کلفتی‌اش تنها یک اتم است.-  را سیلیکون آینده می‌گویند، چراکه می‌تواند با توجه به ویژگی‌های الکترونیکی‌اش، مانند تحرک‌پذیری بالای الکترون و حفره‌هایش، بر این مشکل فائق آید.

اولین مبدل گرافینی

سوردن و هم‌کاران، در سال ۲۰۰۹، زمانی‌که یک مبدل مکمل می‌ساختند، اولین مدار یک‌پارچه‌ی گرافینی را درست کردند –اصلی‌ترین مجموعه‌ در ابزار الکترونیکی نوین. هرچند که به‌طور کامل کار می‌کرد، این قطعه برای دنیای واقعی مناسب نبود؛ چراکه از گرافینی درست شده‌بود که فرآیند ِ ورقه‌ورقه کردنش را نمی‌شد در مقیاس‌های صنعتی اجرا کرد؛ و فراتر از آن، قطعه با سیگنال‌های ورودی و خروجی با ولتا‌ژهای جفت‌شده کار نمی‌کرد. سوردن توضیح می‌دهد: «بدون این جفت‌شدگی ولتاژها، گیت‌های منطقی نمی‌توانند به صورت متوالی قرارگیرند –که این یعنی، یک گیت منطقی ظرفیت تحریک هم‌سایه‌اش را ندارد- و  دست‌یابی به عمل‌کردهای منطقی ِ ترکیبی ممکن نخواهند بود.»

از آن زمان تاکنون، گروه‌های پژوهشی دیگری برای تولید سیگنال‌های ِ جفت‌شده در مبدل‌‌های گرافینی تلاش کرده‌اند. اما، حتی به‌ترین این قطعه‌‌ها نیز در دمای پایین و برپایه‌ی گرافین ورقه‌ورقه شده، کار می‌‌کردند.

CVD ِ گرافین راه‌گشا می‌شود

اکنون سوردن و هم‌کاران مبدل‌‌هایی با گرافین رشد یافته بر ویفر و با روش ته‌نشانی ِ شیمیایی ِ بخار –فرآیندی که برای تولید انبوه نیز مناسب است- درست کرده‌اند. قطعه‌ها برای جفت‌شدن سیگنال‌های دیجیتال مناسبند و در دمای اتاق و در هوا کار می‌کنند. اما این تمام داستان نیست... سوردن می‌گوید: «هم‌چنین به حد بالای بازده ِ ولتاژ در شرایط محیطی، ۳/۵، که در گذشته در CVD ِ گرافن گزارش شده‌بود، رسیدیم.» ... «در ۲۰۰۹ تنها به بازده ۰۴/۰ رسیدیم –که در قطعه‌های با گرافین ورقه‌ورقه‌شده بود.»

اما شاه‌کار پژوهش‌گران یک ابزار به‌خط ‌شونده‌ شبیه به تقویت کننده‌ی گرافینی بود که پیش‌تر ساخته‌اند. سوردن می‌افزاید: «نه‌تنها در آزمایش اخیرمان به سیگنال‌های جفت‌شونده رسیدیم، بلکه گیت‌های منطقی گرافینی را نیز سری کرده‌ و مدارهای پیچیده‌تری ساخته‌ایم.» ... «چنین نتایجی تابه‌حال در هیچ دمایی دیده نشده بودند ـ نه در دمای پایین و نه در دماهای دیگر.»

و اگر هنوز کافی نیست؛ آن‌ها در شناسایی شاخص‌های موردنیاز برای سری‌ کردن نیز موفق بوده‌اند.

تردیدها به آخر رسیده‌اند؟

سوردن می‌گوید: «در گذشته، در جامعه‌ی علمی، در مورد استفاده‌ی گیت‌های منطقی گرافین در کاربردهای زندگی واقعی، تردیدهایی وجود داشت.» ... «ما نشان می‌دهیم که گیت‌های منطقی گرافین می‌توانند همه‌جا و تحت شرایط محیطی کار کنند و حتی ممکن است به مصارف پزشکی برسند.» درواقع، این گیت‌ها هم‌اکنون نوسانات ِ ولتاژی ِ بسیار بالاتری نسبت به قطعه‌های منطقی ِ فرستنده-جفت‌شونده (ECL) –پرسرعت‌ترین خانواده‌ی قطعات منطقی امروزی-تولید می‌کنند. گیت‌های ECL برای پردازش سیگنال‌های با بسامد‌های بسیار بالا، فراتر از ۱۰۰GHz –بازه‌ای که برای فن‌آوری CMOS دور از دسترس بوده‌است- ، به‌کار می‌روند. مساله‌ای که گروه هم‌چنان بر آن کار می‌کند، این است که گیت‌های گرافینی نمی‌توانند در کاربردهای با توان‌های پایین استفاده‌ شوند، چراکه توان اتلافی هم‌چنان بالا خواهد بود. گروه، که شامل پژوهش‌گرانی از گروه اریک پُپ در دانش‌گاه ایلینویز در Urbana-Champaign در ایالات متحده می‌شود، کار خود را در Nano Letters توضیح می‌دهد.

درباره‌ی نویسنده:

بـِله دومه ویراستار در nanotechweb.org است.

منبع:

http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/aug/06/graphene-logic-for-the-real-world