Grafeeni ballistiline juhtivus – kas me võime unustada kõik, mida seni elektroonikast teame?

Võimalus panna elektrone footonitena käituma võib saada aluseks uut tüüpi elektroonikaseadmetele, mis rajaneksid grafeeni omadusel juhtida elektrone toatemperatuuril peaaegu ilma takistuseta. Sellist omadust nimetatakse ballistiliseks juhtivuseks (ingl ballistic transport).

Eelmisel nädalal ilmunud uurimus näitab, et epitaksilise e kristallvõrelise ehitusega grafeeni nanolintides muutub elektritakistus kvantmehaanika printsiipidele vastavalt diskreetsete etappide haaval. Uurimustööst nähtub, et nano-grafeenlindid (ingl graphene nanoribbons) käituvad nagu optilised lainejuhid või kvantpunktid, nii et elektronid saavad sujuvalt „voolata“ mööda materjali servi.

Tavalistes elektrijuhtivates materjalides, näiteks vases, kasvab takistus võrdeliselt objekti pikkusega sedamööda, kuidas elektronid materjalis liikudes üha rohkemate ebapuhtuste taha takerduvad. Ballistilise juhtivusega materjalide omadused, mis sarnanevad silindrikujuliste nanotorude omadustele, ületavad grafeeni teoreetiliselt prognoositud juhtivust kümnekordselt.

Uurimuses viidatud omadusi mõõdeti ränikarbiidist toorikkristallidesse söövitatud ruumiliste struktuuride servadel kasvatatud umbes 40 nanomeetri laiustes nano-grafeenlintides.

„Meie töö kinnitab, et tänu grafeeni tõeliselt erakordsetele omadustele suudame selle elektrone kontrollida väga mitmel moel,“ märkis Georgia osariikliku tehnoloogiainstituudi füüsikateaduskonna professor Walt de Heer. „Avastusest võib välja areneda uus tüüp koherentseid elektroonikaseadmeid, mis rajanevad toatemperatuuri juures grafeenis ilmneval ballistilisel juhtivusel. Need seadmed hakkavad ilmselt oluliselt erinema kõigest, mida ränipõhised tehnoloogiad seni on võimaldanud.“

USA riikliku teadusfondi NSF, USA õhujõudude teadusuuringute ameti ja W. M. Kecki nimelise sihtasutuse rahastatud uurimuse tulemused ilmusid 5. veebruaril ajakirjas Nature.

Prof de Heer leiab, et uurijad peaksid loobuma katsetest leida grafeenile räniga samu rakendusi ning konstrueerima hoopis selle ainulaadseid elektronijuhtivus-omadusi ära kasutavaid uut tüüpi elektroonikaseadmeid, mis teeksid lülitustehnoloogiate radikaalse ümbermõtestamise toel võimalikuks ülikiire raalimise. Nimelt võivad elektronid nano-grafeenribades hajumata liikuda sadu või tuhandeid mikromeetreid.

„Taoline püsiv takistus on seotud ühega füüsika kõige fundamentaalsematest konstantidest, nn juhtivuskvandiga (ingl conductance quantum)“, selgitas de Heer. „Sellise kanali juhtivus ei sõltu ei temperatuurist ega ka kanalit läbiva elektrivoolu tugevusest.“