นักวิจัยผลิตสารกึ่งตัวนำจากกราฟีนที่สามารถทำงานได้จริงเป็นครั้งแรก ปูทางสู่การพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และชิปคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง

ผลงานวิจัยล่าสุดตีพิมพ์ในนิตยสาร Nature ระบุถึงการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์หรือสารกึ่งตัวนำจากกราฟีนที่ทำงานได้ตามที่กำหนดเป็นครั้งแรกของโลก กราฟีนเป็นวัสดุที่เกิดจากอะตอมของคาร์บอนเรียงตัวกันเพียงชั้นเดียวในรูปแบบโครงสร้างหกเหลี่ยมซึ่งแข็งแรงกว่าเหล็กกล้าที่มีความหนาเท่ากัน สามารถนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทนทานต่อความร้อนสูงและกรดต่าง ๆ ได้ดี

อย่างไรก็ตาม การนำกราฟีนมาผลิตเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถควบคุมให้นำไฟฟ้าหรือปิดกั้นกระแสไฟฟ้าได้ตามที่ต้องการ ซึ่งเป็นกุญแจของการผลิตไอซีหรือวงจรรวมที่ทำงานเชิงลอจิก เหมือนเป็นสวิซต์เปิดปิดหรือเลือกระหว่าง 2 สถานะในคอมพิวเตอร์นั้น ยังคงเป็นความท้าทายของนักวิทยาศาสตร์มาโดยตลอด ที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์สามารถออกแบบกราฟีนให้ทำงานเหมือนเซมิคอนดัคเตอร์ได้ แต่ยังไม่สามารถขยายกำลังการผลิตให้เพียงพอต่อการนำมาใช้เป็นชิปคอมพิวเตอร์ในเชิงปฏิบัติได้  

จนกระทั่ง วอลเตอร์ เดอ เฮียร์ (Walter de Heer) และทีมนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจีย (Georgia Institute of Technology) เมืองแอตแลนตา ได้คิดค้นกราฟีนที่มีค่าช่องว่างแถบพลังงาน (bandgap) สามารถทำงานเป็นทรานซิสเตอร์หรือสวิซต์เปิดปิดในวงจรไฟฟ้า เพื่อยินยอมหรือป้องกันการไหลผ่านของกระแสไฟฟ้า และสามารถผลิตเป็นจำนวนมากได้ เนื่องจากใช้เทคนิคที่ไม่ได้แตกต่างไปจากการผลิตชิปจากซิลิกอนที่มีอยู่แล้ว โดยนำแผ่นเวเฟอร์ (wafer) ของสารประกอบซิลิคอนคาร์ไบด์ (silicon carbide) มาให้ความร้อน โดยซิลิกอนจะระเหยออกไปก่อนคาร์บอน เหลือเพียงชั้นของกราฟีนอยู่ด้านบนที่เมื่อเกิดพันธะเคมีกับพื้นผิวของซิลิคอนคาร์ไบด์อย่างเหมาะสมแล้ว จะมีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำได้

การทดสอบพบว่า ชิปที่ผลิตจากกราฟีนมีประสิทธิภาพในการนำไฟฟ้าที่ดีกว่าชิปจากซิลิกอนถึง 10 เท่า และไม่ได้ทำให้เกิดความร้อนมากนัก อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็วเนื่องจากมีแรงต้านทานต่ำ ซึ่งหมายถึงการประมวลผลที่รวดเร็วขึ้นตามไปด้วย เฮียร์ (Heer) ชี้ให้เห็นภาพว่า “มันเป็นเหมือนการขับรถไปบนถนนถนนลูกรังเทียบกับทางด่วน”

เซมิคอนดักเตอร์นับเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ความสำเร็จของการคิดค้นชิปจากกราฟีนในครั้งนี้จึงถือเป็นก้าวสำคัญที่อาจนำไปสู่แนวทางการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใหม่ ๆ ตลอดจนคอมพิวเตอร์ที่ประมวลผลได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพในอนาคต

ที่มาของภาพ: Georgia Institute of Technology

ที่มาของแหล่งข้อมูล: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/01/240103131030.htm
https://www.newscientist.com/article/2410612-first-working-graphene-semiconductor-could-lead-to-faster-computers/