Grafen kan ge terahertzfart

– Forskare har alltid en massa tokiga idéer varje dag. Det som är bra är att vi har kunnat visa experimentellt att det fungerar, säger Mikael Östling.

– Vi samarbetar med ett tyskt forskningsinstitut kallat IHP i Frankfurt-Oder. Dessutom har det ingått en gästforskare från Harvard University, Max Lemme, som numera är professor vid universitetet i Siegen, Tyskland. Vi jobbar numera inom ramen för ett EU-finansierat projekt kallat Grade.

Mer känsligt än koppar

Ytresistiviteten hos grafen är lägre än hos koppar. En tunn grafenfilm håller cirka 600 ohm per kvadrat, koppar är något sämre. Materialets resistivitet ökar när tjockleken minskas från en tredimensionell kropp ned till ett enda 2-dimensionellt atomlager på grund av olika mekanismer som sprider elektronerna i strömmen.

Nästan varje tillverkningssteg innebär att kiselbitarna täcks med fotoresist, som sedan härd-as, för att senare exponeras genom en mask i uv-ljus, varefter de oexponerade bitarna sköljs bort. Resisten är en vätska som hälls på kislet och för att den ska fördelas jämt snurras kisel-wafern i en sådan här maskin, en så kallad spin coater. Det är en robotiserad maskin som tar skivan ur en vagga (som ett diskställ), spincoatar den, härdar den och levererar tillbaka den i vaggan. Allting sker i gult ljus så att inte foto-resisten exponeras i förtid.

– Man skulle kunna säga att grafenets resistivitet är omkring mikroohm gånger centimeter, vilket är något bättre än koppar, men om man skalar ned koppar till ett atomlager blir dess resistivitet mycket högre. Grafen kan sägas ha den högsta konduktansen av alla material, vilket underlättar när elektronerna ska sprida sig i transistorns bas, säger Mikael Östling.

Väldigt mycket tjockare

Omvänt betyder det att om man skulle använda sig av en metall i basmaterialet som skulle få samma resistivitet som grafen, skulle den behöva bli väldigt mycket tjockare.

Grafentransistorn må tyckas underlig till sin konstruktion, men den är ändå en bipolär npn-transistor.– Det här har demonstrerats i så kallade metallbastransistorer, mbt, och gallerbastransistorer där man har hål i basen ungefär som gallret i ett elektronrör.

Det är elektronmobiliteten i det ytterst tunna materialet som är lösningen. I oskadat grafen är elektronmobiliteten enorm, tiotusentals gånger bättre än i koppar. Men efter all hantering under framställningen har den sjunkit till ungefär samma värden som kisel. Men det är med dagens metoder.

– De teoretiska fysikerna visar fram fantastiska egenskaper, men det finns ännu ingen realistisk möjlighet att utnyttja dem när grafenet väl ligger på halvledarskivan, säger Mikael Östling.

KTH är på hugget

Terahertztekniken, alltså när man kan styra ett elektronflöde av och på inom en femtosekund, utvecklas snabbt. KTH i Kista är väldigt på hugget inom det här området – i TechWorld 9/2013 kunde du läsa om forskningen inom spinntronik, där man med mycket enkla medel kan generera terahertzfrekvenser.