Georgia Techin tutkijat kohahduttivat vuoden alussa uutisoimalla, että ovat onnistuneet luomaan ensimmäisen toimivan puolijohteen grafeenista. Otsikoissa uudet sirut korvaavat piin ja mullistavat kaiken puhelimista autoihin. Ei kuitenkaan kannata pidättää hengistystään.
Georgia Institute of Technologyn tutkijat ovat toki monessa oikeassa. Kaksiulotteinen grafeenikalvo on levy hiiliatomeja, joita pitää kasassa yksi vahvimmista tunnetuista sidoksista. Jos näitä kalvoja voidaan valmistaa nykyisten mikropiirien valmistusmenetelmillä, vallankumouksen ainekset ovat koossa.
Tutkijat tekivät innovaationsa ajallisesti oikeaan kohtaan. Piin jatkuvasti pienempään skaalaaminen on ”juuri päättymässä” ja Mooren lain jatkuminen on vaarassa. Tämä pitää paikkansa, mutta ihmeellisesti tutkijat ovat onnistuneet venyttämään piin mahdollisuuksia. Nyt roadmapeissa puhutaan jo yhden nanometrin siruista, eivätkä nekään ole monen vuoden päässä.
Grafeenin ongelmaksi on tähän asti ymmärretty se, että siltä puuttuu kaistaero (band gap). Sen takia elektronien 10 kertaa piitä parempi liikkuvuus ja koko joukko muita ainutlaatuisia ominaisuuksia uhkasi jäädä hyödyntämättä. Gatechin fysiikan professori Walter de Heerin tutkimusryhmän ansiosta näin ei ehkä käykään.
De Heerin mukaan hänen yli 20-vuotista työtä on motivoinut toive tuoda kolme grafeenin erityisominaisuutta elektroniikkaan. - Se on erittäin kestävä materiaali, joka kestää erittäin suuria virtoja, ja voi tehdä sen kuumenematta ja hajoamatta.
De Heer saavutti läpimurron, kun hän ja hänen tiiminsä keksivät, kuinka grafeenia voidaan kasvattaa piikarbidikiekoilla erikoisuuneissa. He tuottivat epitaksiaalista grafeenia, joka on yksi kerros, joka kasvaa piikarbidin kidepinnalla. Ryhmä havaitsi, että kun se oli valmistettu oikein, epitaksiaalinen grafeeni sitoutui kemiallisesti piikarbidiin ja alkoi saada puolijohtavia ominaisuuksia.
Seuraavan vuosikymmenen aikana he jatkoivat materiaalin parantamista Georgia Techissä ja myöhemmin yhteistyössä kollegoiden kanssa Tianjinin yliopiston Tianjinin kansainvälisessä nanohiukkasten ja nanosysteemien keskuksessa Kiinassa.
Luonnollisessa muodossaan grafeeni ei ole puolijohde eikä metalli, vaan puolimetalli. Kaistaväli mahdollistaa sen, että transistorit voidaan kytkeä päälle ja pois, kun siihen kohdistetaan sähkökenttä. Grafeenielektroniikkatutkimuksen pääkysymys oli, kuinka transistorit voidaan kytkeä päälle ja pois, jotta se voi toimia kuten pii.
Toiminnallisen transistorin valmistamiseksi puolijohtavaa materiaalia on manipuloitava suuresti, mikä voi vahingoittaa sen ominaisuuksia. Todistaakseen, että heidän alustansa voisi toimia elinkelpoisena puolijohteena, tiimin piti mitata sen elektroniset ominaisuudet vahingoittamatta sitä.
He asettivat grafeeniin atomeja, jotka "lahjottavat" elektroneja järjestelmään - tekniikkaa kutsutaan seostamiseksi. Se ei vahingoita materiaalia tai sen ominaisuuksia. Ryhmän mittaukset osoittivat, että heidän grafeenipuolijohteessaan elektronien liikkuvuus on 10 kertaa suurempi kuin piillä. Toisin sanoen elektronit liikkuvat erittäin pienellä resistanssilla, mikä elektroniikassa tarkoittaa nopeampaa laskentaa.
Ryhmän tuote on tällä hetkellä ainoa kaksiulotteinen puolijohde, jolla on kaikki tarvittavat ominaisuudet nanoelektroniikassa käytettäväksi, ja sen sähköiset ominaisuudet ovat paljon parempia kuin muut tällä hetkellä kehitteillä olevat 2D-puolijohteet.
Ihmemateriaali ei kuitenkaan tule kaupalliseen tai mihinkään käyttöön vielä vuosikausiin. Lisäksi kannattaa muistaa amerikkalaisen yliopiston toiminnan periaate. Tutkimusta tehdään yksityisrahoituksella, joten vallankumouksellisella innovaatiolla saa taatusti helpommin rahaa kuin tylsällä perustutkimuksella.
Mutta olisihan grafeenisirujen saaminen joskus käyttön hienoa.
Erittäin hyvällä hyötysuhteella lämpöenergiaa tuottava tai poistava ilmalämpöpumppu yleistyy edelleen kaikkialla maailmassa. Toshiba on kehittänyt suunnittelijoiden avuksi pitkälle integroidun referenssimallin, jonka pohjalta on helppo rakentaa hyvin energiatehokas lämpöpumppu optimoiduin kustannuksin.
