โครงสร้างผลึกในอุดมคติของกราฟีนคือกริดหกเหลี่ยมไฮโลออนไลน์ บทความเบื้องหลังนี้จัดทําขึ้นเพื่อ LiveScience ร่วมกับมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติซิลิคอนเป็นม้างานของโลกดิจิทัลของเรามานานแล้ว แต่เมื่อทรานซิสเตอร์ซิลิกอนหดตัวลงสู่ระดับนาโนปัจจัยต่าง ๆ เช่นการใช้พลังงานมากเกินไปในอุปกรณ์เหล่านี้อาจทําให้ประสิทธิภาพลดลง
”การปรับขนาดทรานซิสเตอร์ซิลิกอนได้ขับเคลื่อนเศรษฐกิจทั่วโลกในช่วงครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา”
เจฟฟ์ เวลเซอร์ ผู้อํานวยการโครงการริเริ่มการวิจัยนาโนอิเล็กทรอนิกส์ที่ Semiconductor Research Corporation (SRC) ซึ่งเป็นกลุ่มบริษัทที่ประกอบด้วยผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์รายใหญ่ที่สุดของโลกกล่าว “สหรัฐอเมริกาเป็นผู้นําด้านไมโครอิเล็กทรอนิกส์ และเพื่อรักษาความเป็นผู้นํานั้นและเพื่อขับเคลื่อนเศรษฐกิจต่อไป เราจึงจําเป็นต้องหาวิธีที่จะทําให้การปรับขนาดอุปกรณ์ดําเนินต่อไป”
โซลูชันจํานวนมากที่กําลังดําเนินการอยู่ทั่วโลกเกี่ยวข้องกับการนําสถาปัตยกรรมอุปกรณ์ใหม่หรือวัสดุใหม่มาใช้ Bhagawan Sahu นักฟิสิกส์วิจัยที่ Southwest Academy of Nanotechnology (SWAN) ซึ่งตั้งอยู่ที่มหาวิทยาลัยเท็กซัสที่ออสตินเป็นส่วนหนึ่งของการค้นหาทั่วประเทศเพื่อค้นหาวัสดุและกระบวนการระดับนาโนที่สามารถแทนที่ทรานซิสเตอร์ซิลิกอนได้ภายในปี 2020
Sahu และเพื่อนร่วมงานของเขาที่ SWAN ตั้งเป้าที่จะสร้างทรานซิสเตอร์ที่มีความยาวน้อยกว่า 10 นาโนเมตรและหนาน้อยกว่าหนึ่งนาโนเมตร ในการทําเช่นนั้นพวกเขากําลังสํารวจกราฟีนซึ่งเป็นกราไฟท์ชั้นเดียวที่เป็นหนึ่งในวัสดุที่บางที่สุดในโลกและมีการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอน (การวัดว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เร็วแค่ไหนในการตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าภายนอก) สูงกว่าซิลิกอน ลักษณะเหล่านี้เป็นคุณสมบัติที่น่าสนใจและได้สร้างความสนใจอย่างมากจากอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์
หลังจากห้าปีของการศึกษาโดยเฉพาะการออกแบบที่ใช้กราฟีนแบบใหม่ของกลุ่มได้รับการคัดเลือกโดย SRC ให้เป็นหนึ่งในแนวคิดอุปกรณ์เพียงไม่กี่ข้อเท่านั้นที่จะศึกษาเพิ่มเติม
”การทําความเข้าใจส่วนประกอบของอุปกรณ์ [ในระดับอะตอม] ผ่านการจําลองได้กลายเป็น [สิ่งสําคัญ]
สําหรับอุปกรณ์ระดับนาโนเหล่านี้” Sahu “ความพยายามของเราที่ SWAN ช่วยให้ชุมชนได้รับผลการจําลองซึ่งได้มาจากการทดลองเสมือนจริงก่อนที่จะทําการทดลองจริง”
ระบบที่ใช้กราฟีนที่นักวิจัยสร้างขึ้นซึ่งพวกเขาเรียกว่าทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม pseudospintronic bilayer (หรือ BiSFET) นั้นใช้กราฟีนสองชั้นที่คั่นด้วยฉนวนอากาศหรือสุญญากาศที่บางเฉียบ ฟิสิกส์ของอุปกรณ์ขึ้นอยู่กับ “การเคลื่อนที่ของประจุรวม” ซึ่งสถานะ superfluid ก่อตัวขึ้นที่อุณหภูมิห้องภายใต้เงื่อนไขบางประการ
”ในโครงสร้างนี้ อิเล็กตรอนทั้งหมดต้องการอยู่ในชั้นเดียวหรือกชั้นหนึ่ง” เวลเซอร์อธิบาย “การใช้แรงดันไฟฟ้าที่น้อยมาก—ตามลําดับ 25 มิลลิโวลต์—คุณสามารถชาร์จทั้งหมดเพื่อกระโดดจากด้านหนึ่งไปกด้านหนึ่งได้ มันทําหน้าที่เหมือนสวิตช์ ซึ่งเป็นวิธีที่เราต้องการให้ทรานซิสเตอร์ของเราทําหน้าที่”
เพื่อสํารวจปรากฏการณ์นี้ Sahu และทีมของเขาใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์เรนเจอร์และ Lonestar 4 ที่ได้รับการสนับสนุนจาก NSF ที่ศูนย์คอมพิวเตอร์ขั้นสูงเท็กซัส (TACC) คอมพิวเตอร์โดยอาศัยขนาดและพลังของพวกเขาทําให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างแบบจําลองระบบวัสดุใหม่ที่ไม่สามารถประดิษฐ์ได้ง่าย
ยิ่งไปกว่านั้นความสามารถในการจําลองการออกแบบอย่างรวดเร็วและซ้ํา ๆ ทําให้นักวิจัยสามารถทดลองได้จริงโดยมีความกว้างความยาวการวางแนวชั้นที่แตกต่างกันวิธีการวางซ้อนกันของชั้นและแรงดันไฟฟ้าภายนอกสําหรับริบบิ้นกราฟีนและสะเก็ดเพื่อดูว่าตัวแปรมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์อย่างไรรวมถึงช่องว่างของแถบอิเล็กตรอนแม่เหล็กและปัจจัยอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง การจําลองมีความสําคัญอย่างยิ่งต่อการทําความเข้าใจตัวแปรภายในและภายนอกที่อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์
หากนักวิจัยของ SWAN สามารถเอาชนะความท้าทายที่เกี่ยวข้องในการผลิตและสาธิตอุปกรณ์ BisFET ได้ nanotransistor อาจเป็นตัวเปลี่ยนเกมที่อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์กําลังเดิมพันอยู่ไฮโลออนไลน์
