Zespół naukowców z University of Stanford znalazł sposób na stworzenie wąskich nanotaśm z grafenu wykorzystując do tego nici DNA. Rozwój tej technologii może być kluczem do przemysłowej produkcji tranzystorów na bazie grafenu, które będą mniejsze, szybsze i mniej energochłonne niż stosowane obecnie tranzystory krzemowe.
Grafen to dwuwymiarowa warstwa atomów węgla o strukturze heksagonalnej (plastra miodu). Od lat naukowcy głośno mówią o grafenie jako prawowitym następcy krzemu w budowie urządzeń elektronicznych. Grafen jako przyszłość elektroniki ma być rozwiązaniem, które zapewni dalszą miniaturyzacją i większą wydajność chipów. Jak dotąd największymi problemami naukowców było opracowanie skutecznej metody produkcji oraz brak przerwy energetycznej w grafenie. Istnienie przerwy energetycznej czyli inaczej brak pasma wzbronionego ma podstawowe znaczenie dla własności przewodzących materiału. Przerwa energetyczna jest wymagana, by dany materiał mógł funkcjonować jako półprzewodnik.
Obliczenia teoretyczne i badania eksperymentalne wskazują na to, że grafen w postaci wąskich wstążek o szerokości poniżej 10 nm wykazuje istnienie pasma wzbronionego. Aby poradzić sobie z tym wyzwaniem, naukowcy ze Stanford wykorzystali nici DNA jako matrycę, umożliwiającą syntezę wąskich taśm grafenu na krzemowym podłożu. Fizycznie nici DNA są długie, cienkie i posiadają wymiary podobne jak te, które naukowcy chcieli uzyskać by grafen stał się półprzewodnikiem. Pod względem chemicznym, DNA zawiera m.in. atomy węgla, czyli materiał, z którego uformowany jest grafen.
Naukowcy do budowy eksperymentalnego tranzystora wykorzystali małą, krzemową płytkę jako podłoże. Zanurzyli ją w roztworze z DNA pochodzącym od bakterii i osadzili nici w stosunkowo prostych liniach. Dalej, nici wystawiono na działanie roztworu soli miedzi, którego jony zostały zaabsorbowane przez DNA. Tak przygotowaną płytkę ogrzewano w metanowej kąpieli, zawierającej atomy węgla. Ciepło wywołało reakcję chemiczną, która uwolniła atomy węgla z nici DNA i metanu. Wolne atomy węgla zostały szybko se sobą połączone, tworząc stabilną strukturę plastra miodu. Ze względu na to, że uwolnione atomy węgla znajdowały się w pobliżu nici DNA, szerokość powstałych grafenowych nanotaśm była podobna do szerokości DNA. Nici stały się swoistą matrycą dla powstałych wąskich nanowstążek.
Sam proces osadzania nanowstążek grafenu musi zostać dopracowany, gdyż w niektórych miejscach utworzone taśmy miały grubość większą niż jeden atom. Takie obszary zawierały strukturę charakterystyczną dla grafitu.
Technologia posiada dużą wydajność i oferuje niskie koszty produkcji. Proces, którego zaprojektowanie trwało blisko 2 lata wydaje się być atrakcyjny dla przemysłu elektronicznego. Obecnie naukowcy skupiają się na udoskonaleniu wzrostu jednowarstwowych nanowstążek grafenu.
Źródło:
[1] http://engineering.stanford.edu/news/stanford-scientists-use-dna-
assemble-transistor-graphene | 14.09.2013
[2] http://www.nature.com/ncomms/2013/130830/ncomms3402/full/ncomms3402.html | 14.09.2013
[3] http://www.nature.com/ncomms/2013/130830/ncomms3402/extref/ncomms3402-s1.pdf | 14.09.2013
[4] DNA chaos by Stew Dean, flickr.com, CC BY 2.0