اولین نیمه هادی گرافینی جهان برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی

خلاصه خبر:

دانشمندان با توسعه اولین نیمه هادی مبتنی بر گرافن به نقطه عطفی دست یافته‌اند که فرصت های جدیدی را برای تامین انرژی کامپیوترهای کوانتومی آینده ایجاد می‌کند. نیمه هادی های جدید که از گرافن اپیتاکسیال ساخته شده است، از نظر تحرک و جابجایی الکترون از سیلیکون پیشی گرفته است.این پیشرفت، ترانزیستورها را قادر می‌سازد تا در فرکانس‌های تراهرتز کار کنند که بهبود قابل ‌توجهی ده برابری نسبت به همتایان مبتنی بر سیلیکون فعلی، دارد.این پیشرفت نه تنها امکان ادغام یکپارچه با فرآیندهای تولید موجود را فراهم می ‌کند، بلکه به دلیل خواص مکانیکی کوانتومی منحصر به فرد گرافن در دماهای پایین، پشتیبان محاسبات کوانتومی نیز می‌باشد. توسعه پیشگامانه این نیمه هادی مبتنی بر گرافن، جهشی قابل توجه در پیشرفت دستگاه های الکترونیکی سریعتر و کارآمدتر را ایجاد خواهد کرد.

توضیحات تکمیلی:

دانشمندان با ایجاد اولین نیمه هادی مبتنی بر گرافن در جهان، به پیشرفت بزرگی دست یافته اند و فرصت هایی را برای رایانه های شخصی سریعتر و رایانه های کوانتومی در آینده باز می کند. این نیمه هادی که از گرافن اپیتاکسیال ساخته شده است، موبیلیتی بیشتری نسبت به سیلیکون از خود نشان می دهد و امکان حرکت سریع الکترون با مقاومت کمتر را فراهم می کند. این پیشرفت ترانزیستورهای ساخته شده از گرافن را قادر می سازد تا با فرکانس تراهرتز کار کنند که ده برابر سریع تر از ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون فعلی است که در تراشه های امروزی استفاده می شود.

سیلیکون، ماده سنتی مورد استفاده در نیمه هادی ها، از نظر حداکثر سرعت، تولید گرما و کوچک سازی در حال رسیدن به محدودیت های خود است. از سوی دیگر، گرافن یک لایه منفرد از اتم‌های کربن است که به صورت محکم به هم متصل شده‌اند که در شبکه‌ای شش ضلعی چیده شده‌اند و رسانایی بالاتری نسبت به سیلیکون دارند. با این حال، یکی از چالش‌های اصلی گرافن، فقدان «شکاف باند» است که برای روشن و خاموش شدن ترانزیستورها ضروری است.

برای غلبه بر این محدودیت، محققان با موفقیت با استفاده از فرآیند گرمایش و سرمایش، گرافن را روی کاربید سیلیکون ذوب کردند. با وارد کردن اتم‌هایی به گرافن که الکترون اهدا می‌کنند (فرآیندی که به عنوان دوپینگ شناخته می‌شود)، یک نیمه‌رسانای گرافنی کاربردی با شکاف نواری یا همان بند گپ ایجاد کردند. نکته مهم این است که این نیمه هادی مبتنی بر گرافن می تواند در فرآیندهای تولید موجود ادغام شود و انتقال از ویفرهای سیلیکونی به گرافن اپی تکسیال  امکان پذیر شود.

پیامدهای این پیشرفت فراتر از برنامه های کاربردی محاسباتی مرسوم است. نیمه هادی های مبتنی بر گرافن نیز برای محاسبات کوانتومی نویدبخش هستند، زیرا الکترون های موجود در گرافن دارای خواص موج مانند مکانیکی کوانتومی هستند که در دستگاه ها، به ویژه در دماهای بسیار پایین قابل دسترسی هستند. در حالی که محققان قصد دارند این مسیر را در تحقیقات آتی بررسی کنند، باید دید که آیا نیمه هادی های مبتنی بر گرافن می توانند عملکرد بهتری از فناوری ابررسانای فعلی مورد استفاده در رایانه های کوانتومی پیشرفته داشته باشند یا خیر.

گرافن نیمه رسانا به دست آمده در این مطالعه، که به عنوان اپی گرافن نیمه هادی (SEG) شناخته می شود، دارای شکاف نواری 0.6 eV است و تحرک دمای اتاق بیش از 5000  cm^2/V.S  را نشان می دهد - ده برابر بزرگتر از سیلیکون و بیست برابر بزرگتر از سایر موارد. نیمه هادی های دو بعدی محققان از یک روش annealing شبه تعادلی برای تولید SEG منظم بر روی تراس های اتمی مسطح از بسترهای کاربید سیلیکون استفاده کردند. این شبکه SEG با زیرلایه هماهنگ است و پایداری شیمیایی، مکانیکی و حرارتی عالی دارد و آن را برای کاربردهای نانوالکترونیکی مناسب می‌کند.

به طور کلی، ایجاد موفقیت آمیز نیمه هادی مبتنی بر گرافن کاربردی با قابلیت موبیلیتی بهبود یافته و شکاف نواری، فرصت های جدیدی را برای دستگاه های الکترونیکی سریع تر و کارآمدتر از جمله رایانه های کوانتومی باز می کند و راه را برای پیشرفت در نانوالکترونیک هموار می کند.

منبع

Zhao, J., Ji, P., Li, Y., Li, R., Zhang, K., Tian, H., Yu, K., Bian, B., Hao, L., Xiao, X., Griffin, W., Dudeck, N., Moro, R., Ma, L., & De Heer, W. A. (2023). Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide. Nature, 625(7993), 60-65. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06811-0