Strona głównaPytania → Grafen jako półprzewodnik?

Grafen jako półprzewodnik?

Pytanie

Pyta Konrad

Ostatnio usłyszałem sporo krytycznych głosów na temat zastosowania grafenu jako półprzewodnika. Mówi się też, że zamiast grafenu lepiej użyć materiałów warstwowych np. MoS$_2$. O co chodzi?

Odpowiedź

Odpowiada Damian Zdulski

Jedną z podstawowych wielkości charakteryzujących ciała stałe jest przerwa energetyczna. W uproszczeniu jest to zakres energii, których nie mogą przyjmować elektrony w krysztale. Gdy w danym materiale przerwa energetyczna oddziela stany elektronowe obsadzone z pasma walencyjnego od pustych z pasma przewodnictwa to materiał jest izolatorem i tym samym nie przewodzi prądu w temperaturze zera kelwinów. Gdy przerwa jest niezerowa, ale mała (umownie do 4 eV), to taki materiał nazywamy półprzewodnikiem. Półprzewodniki wykorzystuje się powszechnie w elektronice, gdyż dzięki odpowiedniej przerwie można łatwo sterować zbudowanymi z ich wykorzystaniem tranzystorami.

Grafen jest semimetalem. Znaczy to, że jego przerwa energetyczna wynosi dokładnie zero. Żeby ułatwić jego wykorzystanie w elektronice trzeba jakoś spowodować, by powstała niezerowa przerwa. Można to zrobić łamiąc symetrię inwersji sieci krystalicznej poprzez np. doczepienie dodatkowych cząstek odpowiednich związków chemicznych w różnych punktach sieci. Jednak technicznie jest to trudne do wykonania. Taki problem nie występuje w przypadku pojedynczych dwuwymiarowych warstw disiarczku molibdenu (MoS2). Mają one podobne własności do grafenu, ale z tą różnica, że są półprzewodnikami z przerwą energetyczna wynoszącą 1.8 eV. Dlatego bardzo dobrze nadają się do budowy układów elektronicznych nowej generacji. To nie znaczy, że grafen będzie bezużyteczny. Trwają już zaawansowane prace nad połączeniem wysokiej przewodności grafenu z zaletami  MoS2.