صورة لجرافين نانوريبون عريض يبلغ عرضه 1.6 نانومتر (Graphene Nanoribbon ، GNR) تم التقاطها بمجهر مسح نفقي .
يمكن للترانزستورات التي تعتمد على الكربون بدلاً من السيليكون أن تسرع أجهزة الكمبيوتر وتقليل استهلاكها للطاقة بأكثر من ألف مرة - فكر ، على سبيل المثال ، في هاتف محمول يحمل شحنة لأشهر. لكن مجموعة المواد اللازمة لإنشاء سلاسل كربون عاملة ظلت غير مكتملة حتى يومنا هذا.
قام فريق من الكيميائيين والفيزيائيين في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، بإنشاء آخر عنصر مفقود - سلك مصنوع بالكامل من الكربون. هذا ، بدوره ، مهد الطريق للبحث في الترانزستورات القائمة على الكربون ، وأجهزة الكمبيوتر في النهاية.
أشار فيليكس فيشر ، أستاذ الكيمياء في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، إلى أن القدرة على تصنيع جميع مكونات الدوائر المتكاملة من مادة واحدة ستجعل التصنيع أسهل:
"كانت هذه إحدى النقاط الرئيسية التي كانت تفتقر إلى الهيكل العام للدوائر المتكاملة القائمة على الكربون بالكامل."
تُستخدم الأسلاك المعدنية لتوصيل الترانزستورات في شريحة الكمبيوتر - فهي تنقل الكهرباء من جهاز إلى آخر وتوصل عناصر أشباه الموصلات داخل كتلة رقاقة.
تعمل مجموعة جامعة كاليفورنيا في بيركلي منذ عدة سنوات على كيفية صنع أشباه موصلات وعوازل من شرائط الجرافين النانوية ، وهي شرائط ضيقة أحادية البعد من الجرافين بسماكة ذرة. يتكون هيكل هذه النانوريبونات بالكامل من ذرات كربون مرتبة في نظام سداسي يشبه شبكة سلكية.
في حين أن المواد الأخرى القائمة على الكربون مثل صفائح الجرافين ثنائية الأبعاد والأنابيب النانوية الكربونيةيمكن أن تكون شبيهة بالمعادن ، فلها عيوبها. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي تحويل ورقة من الجرافين ثنائي الأبعاد إلى شرائح بحجم نانومتر إلى تحويلها إلى أشباه موصلات أو حتى عوازل. الأنابيب النانوية الكربونية ، وهي موصلات ممتازة ، لا يمكن إنتاجها بنفس الدقة وبكميات كبيرة مثل النانوريبونات.
قال مايكل كرومي ، أستاذ الفيزياء في جامعة بيركلي: "تسمح لنا أشرطة النانو بالوصول إلى مجموعة متنوعة من الهياكل باستخدام تصميم من أسفل إلى أعلى غير ممكن بعد باستخدام الأنابيب النانوية". "لقد سمح لنا بربط الإلكترونات معًا لإنشاء نانوريبون موصل ، وهو ما لم نقم به من قبل. هذا هو أحد التحديات الكبيرة في تقنية الجرافين نانوريبون ، ولهذا السبب نحن متحمسون جدًا لذلك. "
تحتوي شرائط الجرافين النانوية الشبيهة بالمعادن على نطاق إلكتروني عريض مملوء جزئيًا ، وهو من سمات المعادن ، ويمكن مقارنته في الموصلية بالجرافين ثنائي الأبعاد.
وأضاف فيشر: "هذه هي المرة الأولى التي يمكننا فيها إنشاء موصل فائق الرقة من مواد قائمة على الكربون وهذا إنجاز حقيقي".
نشر كرومي وفيشر وزملاؤهم في جامعة كاليفورنيا وبيركلي ومختبر بيركلي الوطني نتائجهم في عدد 25 سبتمبر من مجلة Science.
تم استخدام الدوائر المتكاملة القائمة على السيليكون في أجهزة الكمبيوتر لعقود من الزمان ، حيث زادت السرعة والأداء بشكل منتظم وفقًا لقانون مور ، لكنها وصلت بالفعل إلى الحد الأقصى لسرعتها من حيث السرعة التي يمكن بها التبديل بين "الأصفار" و "الآحاد". كما أن تقليل استهلاك الطاقة يصبح أكثر صعوبة ؛ تستهلك أجهزة الكمبيوتر بالفعل جزءًا كبيرًا من إنتاج الطاقة في العالم. قال فيشر إن أجهزة الكمبيوتر التي تعتمد على الكربون يمكن أن تتحول بسرعة أكبر عدة مرات من أجهزة الكمبيوتر المصنوعة من السيليكون وتستهلك جزءًا بسيطًا من طاقتها.
الجرافين ، وهو الكربون النقي ، كان المنافس الرئيسي للجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر القائمة على الكربون. ومع ذلك ، فإن الشرائح الضيقة من الجرافين هي في الأساس أشباه موصلات ، وكان التحدي يتمثل في جعلها تعمل كعوازل ومعادن أيضًا من أجل بناء ترانزستورات قائمة على الكربون.
قبل عدة سنوات ، تعاون فيشر وكرومي مع مُنظِّر المواد ستيفن لويس ، أستاذ الفيزياء في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، لاكتشاف طرق جديدة لربط قطع صغيرة من النانوريبون مع الحفاظ على جميع الخصائص الموصلة.
قبل عامين ، أظهر الفريق أنه من خلال توصيل مقاطع نانوريبون قصيرة بشكل صحيح ، يمكن وضع الإلكترونات في كل جزء لإنشاء حالة طوبولوجية جديدة - وظيفة موجة كمومية معينة - مما يؤدي إلى خصائص قابلة للضبط لأشباه الموصلات.
في العمل الجديد ، استخدموا تقنية مماثلة لـ "خياطة" أجزاء قصيرة من شرائط النانو معًا لإنشاء سلك موصل يشبه المعدن يبلغ طوله عشرات النانومترات وعرضه نانومتر واحد فقط.
"لقد تم تصميمها جميعًا بطريقة لا يمكن دمجها إلا مع بعضها البعض بطريقة واحدة. يبدو الأمر كما لو أنك تأخذ حقيبة Lego وتهزها وتحصل على سيارة مجمعة بالكامل ". "هذا هو سحر التحكم في التجميع الذاتي بالكيمياء."
"بفضل الكيمياء ، أجرينا تغييرات طفيفة على رابطة كيميائية واحدة لكل 100 ذرة ، وزدنا موصلية النانوريبون 20 مرة. ومن المهم من الناحية العملية الحصول على معدن جيد بهذه الطريقة ، "قال كرومي.
قال فيشر: "أعتقد أن هذه التكنولوجيا ستحدث ثورة في الطريقة التي نبني بها الدوائر المتكاملة في المستقبل". "ستكون هذه خطوة كبيرة إلى الأمام في تصميم وتصنيع الإلكترونيات ، مقارنة بما تتوقعه من السيليكون الآن. لدينا الآن القدرة على الحصول على أداء أسرع مع استهلاك طاقة أقل بكثير. ستكون هذه هي القوة الدافعة وراء مستقبل صناعة أشباه الموصلات الإلكترونية ".