ปฏิวัติวงการอิเล็คโทรนิคส์โลก นักวิจัยสร้างเซมิคอนดัคเตอร์จากกราฟีนได้

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจีย สหรัฐได้สร้างเซมิคอนดักเตอร์เชิงฟังก์ชันตัวแรกของโลกที่ทำจากกราฟีน ซึ่งเป็นอะตอมของคาร์บอนแผ่นเดียวที่ยึดติดกันด้วยพันธะที่แข็งแกร่งที่สุดเท่าที่รู้จัก เซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเป็นวัสดุที่นำไฟฟ้าภายใต้สภาวะเฉพาะเป็นส่วนประกอบพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ความก้าวหน้าของทีมเปิดประตูสู่วิธีใหม่ในการทำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การค้นพบของพวกเขาเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่ซิลิคอน ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่เกือบทั้งหมด กำลังถึงขีดจำกัดเมื่อเผชิญกับการประมวลผลที่เร็วขึ้น และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ Walter de Heer ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ของ Regents ที่ Georgia Tech นำทีมนักวิจัยจากแอตแลนตา จอร์เจีย และ Tianjin International Center for Nanoparticles and Nanosystems ที่ Tianjin University ในประเทศจีน เพื่อผลิตสารกึ่งตัวนำกราฟีน ที่สามารถประมวลผลไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งจะทางเลือกอื่นที่เป็นไปได้สำหรับทดแทน ซิลิคอน ในวงการอิเล็คโทรนิคส์ของโลก

ในงานวิจัยล่าสุดนี้ ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature ทีมวิจัยได้เอาชนะอุปสรรคสำคัญที่รบกวนการวิจัยกราฟีนมานานกว่าทศวรรษ และเหตุผลที่หลายคนคิดว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบกราฟีนจะไม่ได้ผล รู้จักกันในชื่อ "ช่องว่างระหว่างแถบ" เป็นคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญที่ช่วยให้เซมิคอนดักเตอร์สามารถเปิดและปิดวงจรการทำงานได้

De Heer ประสบความสำเร็จเมื่อเขาและทีมค้นพบวิธีปลูกกราฟีนบนเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์โดยใช้เตาเผาแบบพิเศษ พวกเขาผลิตกราฟีนแบบอีพิเทเชียล ซึ่งเป็นชั้นเดียวที่เติบโตบนผิวหน้าคริสตัลของซิลิคอนคาร์ไบด์ ทีมงานพบว่าเมื่อทำอย่างถูกต้อง กราฟีนแบบเอพิเทเชียลจะเกิดพันธะทางเคมีกับซิลิคอนคาร์ไบด์ และเริ่มแสดงคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์

ในรูปแบบธรรมชาติ กราฟีนไม่ใช่ทั้งเซมิคอนดักเตอร์หรือโลหะ แต่เป็นกึ่งโลหะ ช่องว่างของแถบความถี่เป็นวัสดุที่สามารถเปิดและปิดได้เมื่อมีสนามไฟฟ้ากระทบ ซึ่งเป็นวิธีการทำงานของทรานซิสเตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ซิลิคอนทั้งหมด คำถามสำคัญในการวิจัยอิเล็กทรอนิกส์แบบกราฟีนคือวิธีการเปิดและปิดเพื่อให้สามารถทำงานได้เหมือนซิลิคอน แต่ในการสร้างทรานซิสเตอร์ที่ใช้งานได้นั้น วัสดุเซมิคอนดักเตอร์จะต้องได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ซึ่งอาจทำลายคุณสมบัติของมันได้ เพื่อพิสูจน์ว่าแพลตฟอร์มของพวกเขาสามารถทำหน้าที่เป็นเซมิคอนดักเตอร์ทำงานได้จริง ทีมงานจำเป็นต้องวัดคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์โดยไม่สร้างความเสียหาย

พวกเขาใส่อะตอมบนกราฟีนที่ "สละ" อิเล็กตรอนให้กับระบบ ซึ่งเป็นเทคนิคที่เรียกว่าโด๊ป และพบว่ามันทำงานได้โดยไม่ทำลายวัสดุหรือคุณสมบัติของมัน ซึ่งจากการวัดของทีมแสดงให้เห็นว่าเซมิคอนดักเตอร์กราฟีนของพวกเขามีความคล่องตัวมากกว่าซิลิคอนถึง 10 เท่า กล่าวอีกนัยหนึ่ง อิเล็กตรอนเคลื่อนที่โดยมีความต้านทานต่ำมาก ซึ่งในทางอิเล็กทรอนิกส์จะหมายถึงการคำนวณที่เร็วขึ้น

 “มันเหมือนกับการขับรถบนถนนลูกรัง เทียบกับการขับบนทางด่วน” De Heer กล่าว "มันมีประสิทธิภาพมากกว่า มันไม่ร้อนมาก และช่วยให้มีความเร็วที่สูงขึ้นเพื่อให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เร็วขึ้น"

ปัจจุบันผลิตภัณฑ์ของทีมเป็นเซมิคอนดักเตอร์สองมิติที่มีคุณสมบัติที่จำเป็นทั้งหมดที่จะใช้ในนาโนอิเล็กทรอนิกส์ และคุณสมบัติทางไฟฟ้าของมันนั้นเหนือกว่าเซมิคอนดักเตอร์ 2D อื่น ๆ ที่กำลังพัฒนาอยู่มาก

de Heer ระบุว่าไม่ใช่เรื่องแปลกที่จะได้เห็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นใหม่เกิดขึ้น ก่อนซิลิคอนเคยมีหลอดสุญญากาศ และก่อนหน้านั้นยังมีสายไฟและโทรเลข ซิลิคอนเป็นหนึ่งในหลายขั้นตอนในประวัติศาสตร์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และขั้นตอนต่อไปอาจเป็นกราฟีน

“สำหรับผม นี่เป็นเหมือนช่วงเวลาของพี่น้องตระกูลไรท์” De Heer ระบุ "พวกเขาสร้างเครื่องบินที่สามารถบินได้สูง 300 ฟุตในอากาศ แต่คนขี้ระแวงถามว่าทำไมโลกถึงต้องการการบิน ในเมื่อโลกมีรถไฟและเรือเร็วอยู่แล้ว แต่พวกเขาก็ยังยืนกราน และมันเป็นจุดเริ่มต้นของเทคโนโลยีที่สามารถพาผู้คนข้ามมหาสมุทรไปได้”

ทั้งนี้ กราฟีน ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนเรียงตัวกันแบบสองมิติ เป็นรูปตาข่ายรวงผึ้ง โดยมีความหนาเพียง 1 อะตอม จึงทำให้มันเป็น สารที่บางที่สุดในโลก ถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ จากมหาวิทยาลัย แมนแชสเตอร์ คือ Andre Geim และ Konstantin Novoselov ในปี 2004โดยเใช้เทปใสลอกคาร์บอน ออกจากแท่งกราไฟท์(graphite) และทำให้เหลือคาร์บอนที่หนาเพียง 1 อะตอม หรือมีโครงสร้างสองมิติ ทำให้ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ในปี 2010

นักวิทยาศาสตร์พบว่า อิเล็กตรอน สามารถเคลื่นที่ผ่านสารที่บางกว่าได้ดีกว่า สารที่หนา ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงสามารถเดินทางผ่านกราฟีน ได้รวดเร็วกว่าซิลิคอน ซึ่งเป็นสารหลักที่ใช้ในวงการเซมิคอนดัคเตอร์ และเมื่อรวมกับคุณสมบัติที่กราฟีนมีน้ำหนักเบากว่า แข็งแรงกว่า และยืดหยุ่นได้ดีกว่าซิลิคอน ทำให้กราฟีนจะเป็นวัสดุแห่งอนาคตในวงการอิเล็กโทรนิคที่จะก้าวเข้ามาแทนที่ซิลิคอนในอนาคต และเราอาจจะได้เห็นคอมพิวเตอร์ที่เป็นแผ่นบางๆ ที่สามารถโค้งงอได้เหมือนพลาสติกในไม่ช้า