Grafen je, to je već vjerojatno svima poznato, materijal načinjen od jednog sloja ugljikovih atoma, povezanih kovalentnim vezama i raspoređenih u šesterokutnu mrežu. Kao takav, dvjesto je puta čvršći od čelika, gotovo potpuno proziran, može se rastegnuti do 20% i bolji je električni vodič od silicija. No, kako bi ga se primijenilo u izradi poluvodičkih elemenata bilo je potrebno gotovo dva desetljeća rada, od otkrića 2004. godine pa sve do današnjih dana.

Da bi materijal funkcionirao unutar čipova kao poluvodič, mora imati energetski razmak među valentnim slojevima ("band gap"), koji kod kristalnog silicija, primjerice, iznosi 1,1 eV i ključan je parametar za funkcioniranje poluvodiča. Materijali koji imaju energiju tog razmaka ispod približno 3 eV se uglavnom smatraju poluvodičima, dok se oni s većim energijama zabranjenog pojasa smatraju izolatorima. No, grafen je "zero-gap" poluvodič, bez razmaka između valentnih vodljivih pojasa, i to je bilo potrebno promijeniti da bi on postao kompatibilan s konvencionalnim metodama rada mikroelektronike – samo tako može postati dostojna zamjena siliciju. Drugim riječima, razmak je potreban da bi se materijal poluvodiča mogao prema potrebi "paliti i gasiti".

Potencijalna revolucija

I upravo to postigli su nedavno istraživači s instituta Georgia Tech. U časopisu Nature objavljen je njihov rad koji nadilazi problem razmaka među slojevima, prva poznata metoda kojom bi se grafen mogao primijeniti u izradi komercijalnih čipova. Tim se oslonio na tri fundamentalne karakteristike grafena – činjenici da je vrlo robustan, da može provoditi snažne struje, i to tako da se pritom ne pregrijava i ne raspada.

Grafen se inače izrađuje tako da ga se "uzgaja", odnosno da se polaže u jednom sloju na odabranu podlogu u specijalnim pećima. Ova ekipa znanstvenika položila ga je na "wafer" načinjen od silicijevog karbida, pa se takav (epitaksijalni) grafen, kada je izrađen na pravi način, kemijski vezao na silicijev karbid. U tim slučajevima počeo je pokazivati svojstva poluvodiča. Sva ta otkrića događala su se posljednjih godina, kada su istraživači pokušavali "uzgojiti" grafen na željeni način, a da mu pritom ne ugroze ostala svojstva.

Efikasniji od silicija

U konačnici su i uspjeli, pa je rezultat prilično fascinantan. Njihov grafenski poluvodič oko 10 puta je mobilniji od silicijevog, odnosno omogućava kretanje elektrona uz manji otpor. To, pak, za posljedicu ima brže i efikasnije izvođene željenih operacija: "To je kao vožnja po makadamskoj cesti naspram vožnje po autocesti. Učinkovitije je, ne zagrijava se toliko i omogućuje veće brzine kako bi se elektroni mogli kretati brže", uspoređuje grafenske i silicijske poluvodiče Walter de Heer, profesor fizike na Georgia Techu i voditelj ovog istraživanja.

Njegov tim stvorio je jedini dvodimenzionalni poluvodič na svijetu, takav koji ima sva potrebna svojstva za korištenje u nanoelektronici. Vodljiva su svojstva tog materijala daleko bolja od bilo kojeg drugog 2D poluvodiča koji se trenutačno razvija. Autori grafenskog poluvodiča poručuju da njihovo otkriće stiže upravo u vrijeme kada silicij pomalo dolazi do svojih fizikalnih granica, pa je ključno pronaći novo rješenje za daljnji napredak računalne tehnologije. De Heer opisuje ovaj trenutak kao prvi zrakoplov braće Wright – mali, ali bitan korak ka novoj tehnologiji. Prije silicija, imali smo vakuumske cijevi, a prije toga žice i telegraf – sada, nakon silicija, sljedeći bi korak mogao biti upravo grafen.