スキャニングトンネリング顕微鏡で撮影した幅1.6ナノメートルの金属状グラフェンナノリボン（グラフェンナノリボン、GNR）の画像。
シリコンではなくカーボンをベースにしたトランジスタは、コンピュータの速度を上げ、消費電力を1,000分の1に削減できる可能性があります。たとえば、数か月間充電できる携帯電話を考えてみてください。しかし、実用的なカーボンチェーンを作成するために必要な材料の範囲は、今日まで不完全なままです。
カリフォルニア大学バークレー校の化学者と物理学者のチームが、最終的に欠けている部分、つまり完全に炭素でできたワイヤーを作成しました。これにより、炭素ベースのトランジスタ、そして最終的にはコンピュータの研究への道が開かれました。
カリフォルニア大学バークレー校の化学教授であるフェリックス・フィッシャー氏は、単一の材料からすべてのICエレメントを製造できると、製造が容易になると述べています。
「これは、完全炭素ベースの集積回路の全体的なアーキテクチャに欠けていた重要なポイントの1つでした。」
金属線は、コンピューターチップ内のトランジスターを接続するために使用されます。金属線は、デバイス間で電気を運び、チップブロック内の半導体要素を接続します。
UC Berkeleyグループは、数年前から、原子と同じくらい厚いグラフェンの狭い一次元ストリップであるグラフェンナノリボンから半導体と絶縁体を作成する方法に取り組んできました。これらのナノリボンの構造は、ワイヤーメッシュに似た六角形のシステムに配置された炭素原子で完全に構成されています。
2Dグラフェンシートやカーボンナノチューブなどの他の炭素ベースの材料金属のようにすることができますが、欠点があります。たとえば、2Dグラフェンのシートをナノメートルサイズのストリップに変換すると、それらを半導体または絶縁体に変えることができます。優れた導体であるカーボンナノチューブは、ナノリボンと同じ精度で大量生産することはできません。
「ナノリボンを使用すると、ボトムアップ設計を使用してさまざまな構造にアクセスできますが、ナノチューブではまだ不可能です」と、バークレー大学の物理学教授であるMichaelCrommy氏は述べています。 「これにより、電子を結合して導電性ナノリボンを作成することができました。これは、これまでは行われていませんでした。これは、グラフェンナノリボン技術における大きな課題の1つであり、それが私たちが非常に興奮している理由です。」
金属のようなグラフェンナノリボンは、金属に典型的な、部分的に満たされた広い電子バンドを持ち、導電率が2次元グラフェンに匹敵する可能性があります。
「炭素ベースの材料から極薄の導体を作成できるのはこれが初めてであり、これは真のブレークスルーです」とフィッシャー氏は付け加えました。
カリフォルニア大学バークレー校とバークレー国立研究所のCrommy、Fisherとその同僚は、Scienceの9月25日号に調査結果を発表しました。
シリコンベースの集積回路は、何十年にもわたってコンピューターで使用されており、ムーアの法則に従って速度とパフォーマンスが定期的に向上していますが、「ゼロ」と「1」をすばやく切り替えることができる速度の限界にすでに達しています。また、エネルギー消費を削減することもより困難になります。コンピューターはすでに世界のエネルギー生産のかなりの部分を消費しています。フィッシャー氏によると、カーボンベースのコンピューターは、シリコンコンピューターよりも何倍も速く切り替わる可能性があり、エネルギーのほんの一部しか消費しないという。
純粋な炭素であるグラフェンは、次世代の炭素ベースのコンピューターの主要な候補です。ただし、グラフェンの細いストリップは主に半導体であり、炭素ベースのトランジスタを構築するために、それらを絶縁体や金属としても機能させることが課題でした。
数年前、フィッシャーとクロミーは、カリフォルニア大学バークレー校の物理学教授である材料理論家のスティーブンルイスと協力して、すべての導電特性を維持しながらナノリボンの小片を接続する新しい方法を発見しました。
2年前、チームは、短いナノリボンセグメントを正しく接続することにより、各セグメントの電子を配置して、新しいトポロジー状態（特定の量子波関数）を作成し、半導体の特性を調整できることを実証しました。
彼らの新しい仕事では、同様の技術を使用してナノリボンの短いセグメントを「ステッチ」し、長さ数十ナノメートル、幅わずか1ナノメートルの導電性の金属のようなワイヤーを作成します。
「これらはすべて、1つの方法でのみ適合するように設計されています。まるでレゴバッグを持って振って、完全に組み立てられた車を持っているかのようです」と彼は言いました。 「これは、化学による自己組織化制御の魔法です。」
「化学を通して、100原子ごとに1つの化学結合に小さな変更を加え、ナノリボンの導電率を20倍に増やしました。そして、実用的な観点から、そのように良い金属を手に入れることが重要です」とクロミーは言いました。
「この技術は、将来の集積回路の構築方法に革命をもたらすと信じています」とフィッシャー氏は述べています。「これは、現在シリコンに期待するものと比較して、エレクトロニクスの設計と製造において大きな前進となるでしょう。これで、はるかに少ない電力消費でより高速なパフォーマンスを実現できるようになりました。これが、電子半導体産業の未来の原動力となるでしょう。」