Изображение металлоподобной графеновой наноленты (Graphene Nanoribbon, GNR) шириной в 1,6 нанометра, сделанное с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Транзисторы, основанные на углероде, а не на кремнии, потенциально могут повысить скорость компьютеров и снизить их энергопотребление более чем в тысячу раз — подумайте, например, о мобильном телефоне, который держит заряд в течение нескольких месяцев. Но набор необходимых материалов, необходимых для создания работающих углеродных цепей, оставался неполным до настоящего момента.

Группа химиков и физиков из Калифорнийского университета в Беркли, наконец, создала последний недостающий элемент — проволоку, полностью сделанную из углерода. Это в свою очередь, подготовило почву для начала исследований по созданию транзисторов на основе углерода, и в конечном итоге — компьютеров.

Феликс Фишер, профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, отметил, что возможность изготавливать все элементы интегральной схемы из одного материала сделает производство легче:
«Это был один из ключевых моментов, которого не хватало в общей картине архитектуры интегральных схем, полностью основанных на углероде».

Металлические провода используются для соединения транзисторов в компьютерной микросхеме — переносят электричество от устройства к устройству и соединяют полупроводниковые элементы внутри блока микросхем.

Группа Калифорнийского университета в Беркли в течение нескольких лет работала над тем, как сделать полупроводники и изоляторы из графеновых нанолент, которые представляют собой узкие одномерные полоски графена толщиной в атом. Структура этих нанолент, полностью состоит из атомов углерода, расположенных в гексагональной сингонии, напоминающем проволочную сетку.

В то время как другие материалы на основе углерода, такие как листы двумерного графена и углеродные нанотрубки могут быть металлоподобными, у них есть свои недостатки. Например, преобразование листа двумерного графена в полосы нанометрового размера может превратить их в полупроводники или даже изоляторы. Углеродные нанотрубки, которые являются отличными проводниками, не могут быть получены с такой же точностью в больших количествах, как наноленты.

«Наноленты позволяют нам получать доступ к широкому спектру структур, используя восходящее проектирование, что еще невозможно с нанотрубками», — сказал Майкл Кромми, профессор физики Университета Беркли. «Это позволило нам соединить электроны вместе, чтобы создать проводимую наноленту, чего раньше не делали. Это одна из серьезных задач в области технологии графеновых нанолент, и поэтому мы так взволнованы этим».

Наноленты из металлоподобного графена имеют широкую, частично заполненную электронную полосу, характерную для металлов, и могут быть сравнимы по проводимости с двумерным графеном.

«Это первый случай, когда мы можем создать ультратонкий проводник из материалов на основе углерода и это настоящий прорыв», — добавил Фишер.

Кромми, Фишер и их коллеги из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) опубликовали свои выводы в выпуске журнала Science за 25 сентября.

Интегральные схемы на основе кремния использовались в компьютерах в течение десятилетий, регулярно увеличивающейся скоростью работы и производительностью в соответствии с законом Мура, но они уже достигают своего предела скорости насколько быстро они могут переключаться между «нулями» и «единицами». Также становится все труднее снизить энергопотребление; компьютеры уже потребляют значительную часть мирового производства энергии. По словам Фишера, компьютеры на основе углерода потенциально могут переключаться во много раз быстрее, чем кремниевые компьютеры, и потреблять лишь долю от их энергии.

Графен, представляющий собой чистый углерод, являлся ведущим претендентом на создание компьютеров следующего поколения на основе углерода. Однако узкие полоски графена в первую очередь являются полупроводниками, и проблема заключалась в том, чтобы заставить их также работать как изоляторы и металлы, чтобы построить транзисторы на основе углерода.

Несколько лет назад Фишер и Кромми объединились с ученым-теоретиком материаловедом Стивеном Луи, профессором физики Калифорнийского университета в Беркли, чтобы открыть новые способы соединения небольших отрезков наноленты с сохранением всех проводящих свойств.

Два года назад команда продемонстрировала, что, правильно соединив короткие сегменты наноленты, электроны в каждом сегменте могут быть расположены так, чтобы создать новое топологическое состояние — особую квантовую волновую функцию — что приводит к настраиваемым свойствам полупроводника.

В новой работе они используют аналогичную технику для «сшивания» коротких сегментов нанолент, чтобы создать проводящий металлоподобный провод длиной в десятки нанометров и шириной всего лишь в один нанометр.

«Все они спроектированы так, что могут сочетаться друг с другом лишь одним способом. Это как если бы вы взяли пакет с Lego, встряхнули его, и получили полностью собранный автомобиль », — сказал он. «В этом волшебство управления самосборкой с помощью химии».

«Благодаря химии, мы сделали крошечные изменения одной химической связи на каждые 100 атомов, и увеличили проводимость наноленты в 20 раз. И это важно с практической точки зрения, чтобы получить таким путем хороший металл, — сказал Кромми.

«Я верю, что эта технология в будущем произведет революцию в том, как мы строим интегральные схемы», — сказал Фишер. «Это будет большим шагом вперед в разработке и производстве электроники по сравнению с теми результатами, которые можно ожидать от кремния прямо сейчас. Теперь у нас есть возможность получить более высокую скорость работы при гораздо меньшем энергопотреблении. Это будет движущей силой в будущем индустрии электронных полупроводников».