그래핀 기반 전자공학의 에지에서

[아름이]

그래핀 기반 전자공학의 에지에서
날짜:
2022년 12월 21일
원천:
조지아 공과대학
요약:
연구원들은 기존의 마이크로전자 제조와 호환되는 새로운 그래핀 기반 나노전자 플랫폼을 개발하여 실리콘의 후속 제품을 위한 길을 열었습니다.

나노 전자 공학 분야에서 시급한 탐구는 실리콘을 대체할 수 있는 물질을 찾는 것입니다. 그래핀은 수십 년 동안 유망해 보였습니다. 그러나 처리 방법이 손상되고 이를 포용할 수 있는 새로운 전자 패러다임의 부족으로 인해 그 잠재력은 그 과정에서 흔들렸습니다. 실리콘이 더 빠른 컴퓨팅을 수용할 수 있는 능력이 거의 최대에 이르렀기 때문에 차세대 대형 나노전자 플랫폼이 그 어느 때보다 필요합니다.

Georgia Institute of Technology의 물리학과 교수인 Walter de Heer는 실리콘의 후계자 사례를 만드는 데 중요한 단계를 밟았습니다. De Heer와 그의 동료들은 탄소 원자의 단일 시트인 그래핀을 기반으로 하는 새로운 나노 전자 플랫폼을 개발했습니다. 이 기술은 실리콘에 대한 실행 가능한 대안의 필수 요소인 기존의 마이크로 전자 공학 제조와 호환됩니다. Nature Communications 에 발표된 연구 과정에서 팀은 새로운 준입자를 발견했을 수도 있습니다. 그들의 발견은 더 작고, 더 빠르고, 더 효율적이고, 더 지속 가능한 컴퓨터 칩 제조로 ​​이어질 수 있으며 양자 및 고성능 컴퓨팅에 잠재적인 영향을 미칩니다.

"그래핀의 힘은 알려진 가장 강력한 화학 결합에 의해 함께 유지되는 평평한 2차원 구조에 있습니다."라고 de Heer는 말했습니다. "처음부터 그래핀이 실리콘보다 훨씬 더 소형화될 수 있다는 것이 분명했습니다. 즉, 훨씬 더 작은 장치를 가능하게 하면서 더 빠른 속도로 작동하고 훨씬 적은 열을 생성할 수 있습니다. 이것은 원칙적으로 더 많은 장치를 포장할 수 있음을 의미합니다. 실리콘보다 그래핀의 단일 칩."

2001년에 de Heer는 에피택시 그래핀 또는 에피그래핀(고전력 전자 장치에 사용되는 반도체인 실리콘 카바이드 결정 위에 자발적으로 형성되는 것으로 밝혀진 그래핀 층)을 기반으로 하는 대안적인 형태의 전자 장치를 제안했습니다. 당시 연구원들은 에피그래핀의 가장자리를 따라 전류가 저항 없이 흐르고, 그래핀 장치가 금속 와이어 없이 매끄럽게 상호 연결될 수 있음을 발견했습니다. 이 조합은 그래핀 전자의 고유한 빛과 같은 특성에 의존하는 전자 장치의 형태를 허용합니다.

"양자 간섭은 저온에서 탄소 나노튜브에서 관찰되었으며, 우리는 에피그래핀 리본과 네트워크에서 유사한 효과를 볼 것으로 기대합니다."라고 de Heer는 말했습니다. "그래핀의 이 중요한 기능은 실리콘으로는 불가능합니다."

플랫폼 구축

새로운 나노전자공학 플랫폼을 만들기 위해 연구원들은 실리콘 카바이드 결정 기판 위에 수정된 형태의 에피그래핀을 만들었습니다. 그들은 중국 천진 대학의 나노 입자 및 나노 시스템 천진 국제 센터의 연구원들과 협력하여 전자 등급 탄화 규소 결정에서 독특한 탄화 규소 칩을 생산했습니다. 그래핀 자체는 특허 받은 용광로를 사용하여 Georgia Tech의 de Heer 실험실에서 재배되었습니다.

연구원들은 그래핀 나노구조를 조각하고 가장자리를 탄화규소 칩에 용접하기 위해 마이크로전자공학에서 일반적으로 사용되는 방법인 전자빔 리소그래피를 사용했습니다. 이 프로세스는 그래핀의 가장자리를 기계적으로 안정화하고 밀봉합니다. 그렇지 않으면 가장자리를 따라 전하의 움직임을 방해할 수 있는 산소 및 기타 가스와 반응합니다.

마지막으로 그래핀 플랫폼의 전자적 특성을 측정하기 위해 팀은 영하의 온도에서 실온까지 특성을 기록할 수 있는 극저온 장치를 사용했습니다.

에지 상태 관찰

연구팀이 그래핀 가장자리 상태에서 관찰한 전하는 산란 없이 먼 거리를 이동할 수 있는 광섬유의 광자와 유사했습니다. 그들은 전하가 산란되기 전에 가장자리를 따라 수만 나노미터 동안 이동한다는 것을 발견했습니다. 이전 기술의 그래핀 전자는 작은 결함에 부딪혀 다른 방향으로 산란되기 전에 약 10나노미터만 이동할 수 있었습니다.

"가장자리에 있는 전하의 특별한 점은 가장자리가 완벽하게 직선이 아니더라도 가장자리에 머물면서 같은 속도로 계속 진행한다는 것입니다."라고 Georgia Tech의 물리학 교수이자 연구 책임자인 Claire Berger는 말했습니다. 프랑스 그르노블에 있는 프랑스 국립 과학 연구 센터.

금속에서 전류는 음전하를 띤 전자에 의해 전달됩니다. 그러나 연구원들의 기대와는 달리, 그들의 측정은 에지 전류가 전자나 정공(전자가 없음을 나타내는 양의 준입자에 대한 용어)에 의해 운반되지 않는다는 것을 시사했습니다. 오히려 전류는 전하와 에너지가 없지만 저항 없이 움직이는 매우 특이한 준입자에 의해 운반되었습니다. 하이브리드 준입자의 구성 요소는 단일 물체임에도 불구하고 그래핀 가장자리의 반대쪽으로 이동하는 것으로 관찰되었습니다.

독특한 특성은 준입자가 물리학자들이 수십 년 동안 활용하기를 희망해 온 것일 수 있음을 나타냅니다. 1937년 이탈리아 이론 물리학자 Ettore Majorana가 예측한 애매한 Majorana fermion입니다.

"완벽하게 상호 연결된 그래핀 네트워크에서 이 새로운 준입자를 사용하여 전자 장치를 개발하는 것은 판도를 바꾸고 있습니다."라고 de Heer는 말했습니다.

de Heer에 따르면 최초의 그래핀 기반 전자 제품을 갖추려면 5년에서 10년이 더 걸릴 것이라고 합니다. 그러나 팀의 새로운 에피택셜 그래핀 플랫폼 덕분에 기술은 그래핀을 실리콘의 후계자로 선정하는 데 그 어느 때보다 가까워졌습니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/