Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet valmistamaan erittäin lupaavan sähköä johtavan komponentin yhdistämällä grafeenin ja toisen 2D-materiaalin, gallium-seleenin. Uudesta2D-rakenteesta voi olla hyötyä muun muassa puettavassa elektroniikassa ja antureissa.

Grafeenista on povattu elektroniikan mullistajaa siitä lähtien, kun Andre Geim ja Konstantin Novoselov saivat 2010 fysiikan Nobelin sillä tekemistään läpimurtokokeista. Grafeenin energia-aukko on kuitenkin nolla, mikä heikentää siitä valmistettujen komponenttien virran on-off-suhdetta ja rajoittaa siksi sen käyttöä puolijohdemateriaalina.

Nyt Aalto-yliopistossa on pystytty valmistamaan erittäin lupaavan sähköä johtavan komponentin yhdistämällä grafeenin ja toisen 2D-materiaalin, gallium-seleenin, tavalla, jota puolijohdevalmistuksessa kutsutaan heteroliitokseksi. Tulokset julkaistiin äskettäin Advanced Materials -tiedejulkaisussa.

’’Tämä on ensimmäinen kerta, kun gallium-seleeniä käytetään grafeenin kanssa puolijohdemateriaalien heteroliitoksissa’’, kertoo Aallon tutkimusryhmän johtaja Juha Riikonen.

Puolijohdeteollisuudessa heteroliitokset ovat olennainen osa puolijohdeteollisuutta, sillä ne muodostavat pohjan muun muassa lasereille ja transistoreille.

Aallon kehittämä grafeenikomponentti on perinteisiin, piitä sisältäviin komponentteihin verrattuna tutkija Wonjae Kimin mukaan äärimmäisen ohut, vain kymmenestuhannesosa hiuksen halkaisijasta. Ohuudestaan huolimatta se johtaa erinomaisesti sähköä ja lämpöä ja on äärimmäisen kestävää.

Aikaisemmissa tutkimuksissa grafeeniin yhdistetyt 2D-rakenteet on pitänyt valmistaa manuaalisesti, kerros kerrokselta, mikä on tehnyt prosessista hitaan, haastavan ja vaikeasti skaalattavan. Uusi Aallon komponenttirakenne mahdollistaa työlään käsityövaiheen korvaamisen puolijohdeteollisuudesta tutuilla valmistusmenetelmillä.

’’Uuden, yksinkertaisemman valmistustavan lisäksi komponentti on myös ominaisuuksiltaan erinomainen. Esimerkiksi sen elektroniikan kannalta olennainen on-off-suhde on jopa 10³, mikä osoittaa sekä materiaaliyhdistelmän että rakenteen toimivuuden, tutkija Wonjae Kim sanoo.

Aallon kehittämien grafeenikomponentti äpinäkyvyys ja ohuuden tuoma taipuisuus avaavat uusia mahdollisuuksia esimerkiksi puettavaan elektroniikkaa. Grafeenikomponentteja voitaisiin Kimin mukaan yhdistää silmälaseihin ja ikkunoihin. Lisäksi komponentti sopii hyvin myös antureihin.

Havainnekuva GaSe-grafeeni -komponentin rakenteesta. Lähde Aalto.