今回のコールド・フュージョンで取り上げるテーマを使えば、何日も充電できる携帯電話や、1週間充電不要で使えるノートパソコンが実現も夢ではない。
ウォルト・ディールは教授には見えないかもしれないが、彼と彼のチームは10年間、コンピューティング業界を完全に変革することに取り組んできた。
ジョージア工科大学での最新のブレークスルーにより、テラヘルツのスピードで動作し、消費電力と発熱が少ないコンピューターや携帯電話が登場するかもしれない。
彼のチームの研究成果は『ネイチャー』誌に掲載された。グラファインは、表面科学や化学など、さまざまな分野で幅広く研究されてたが、この材料がエレクトロニクスに役立つ可能性については誰も考えていなかった。そこで2001年、私たちは基本的に、グラファインがエレクトロニクスに使えるかもしれないという考えに至ったのである。
グラファインとは？
グラファインとは？半導体、とりわけシリコンは、今日のテレビを支えている。超知的な科学者たちは、1950年代にシリコンを小さなスイッチのように動作させる方法を発見した。小型スイッチとは、小さなシリコンのスイッチのことで、数千個をつなぎ合わせるとさまざまな機能を実行するようにプログラムすることができる。
時を経て、これらのスイッチは現代世界の基礎となった。過去70年間に人類がコンピューター能力を向上させるために行った唯一の正真正銘のことは、トランジスタをより細い領域に詰め込むことである。
問題は、速度、発熱、小型化という点で、シリコン・トランジスタは現在、限界に近づいているということだ。もしトランジスタを10倍以上に改良できるとしたらどうだろう？モーの法則によれば、集積回路のトランジスタ数は2年ごとに倍増する。
もっといいのは、冷蔵庫や自動車など、身の回りのガジェットを覗いてみることだ。グラファインと炭化ケイ素を加えてみよう。炭化ケイ素はケイ素と炭素原子からなる結晶で、加熱するとケイ素が蒸発して炭素が残る。
このため、すべての炭素分子のすべての炭素原子がその表面で静止しており、それらが集まってグラフェンシートを作ろうとしている。
グラフィンについてはこのチャンネルでも何度か取り上げてきたが、要約すると、炭素原子がハニカム状に並んだ一様な単層からなる二次元物質である。電流は電子にほかならないので、グラファインの構造は、人類が知る限り最も導電性の高い物質のひとつである。また、強度もあり、あらゆる面で不思議な素材である。
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唯一の問題は、10年前まで黒鉛をコスト効率のよい方法で製造することが困難だったことだ。幸いなことに、グラファイン製造における3つのブレークスルー（炭化ケイ素上でのグラファイン成長、VI化学気相成長法によるグラファイン合成、液相電気機械剥離法）がこの10年で実現可能になった。最も有名なものはグラファイン充電器である。
2021年にエル・ジェット・バンクが発表されると、世界中のレビュアーが衝撃を受けた。また、標準的なリチウムイオンバッテリーの5倍の充電サイクル数を持つと主張した。
なるほど、グラファインがクールで用途があることはご存じだろうが、技術的なことを考える人にとっては意味をなさないトランジスタであるため、前述のように何かがすぐに腑に落ちないことに気づくかもしれない。
しかし、従来のトランジスタは半導体に分類され、絶縁体でも導体でもなく、その中間に位置する。これは、半導体がスイッチのようにオン・オフできる中間的な性質を持っているためであり、言い換えれば、導電と絶縁を切り替えなければならない。
これはグラファイト・トランジスタの最大の問題点であり、その導電性は決してオフにすることができないため、かなり悪いスイッチになってしまう。
ここでギャップ工学のマジックが登場するのだが、まずバンドギャップを定義しよう。私が興味を持ったのは次の部分だ。材料は原子でできており、原子には軌道を回る電子と原子核がある。電子は、原子核の上にある特定の別の殻や層にのみ存在し、私たちはそれをバンドと呼んでいる。ここで、ある物質の原子核の周りにある電子殻を表す梯子を思い浮かべてほしい。ビーンス・バンド」という用語は、はしごの一番下の段を指す。
このレベルでは、最上段は伝導帯の一部である。電子は単に飛び去るだけかもしれないので、電子が存在すれば電気の伝導は容易に起こる。2つの梯子部分を隔てる空間を思い浮かべてほしい。このギャップがバンドである。これが電子の典型的な居場所である。電子はここに居心地の良さを感じるので、行きたがらない。
絶縁体はギャップが比較的高いため、電気をうまく通すことができず、電子が伝導帯に入りにくい。逆に半導体のバンドは、半導体のギャップが絶縁体よりも狭い場合があり、外部エネルギーの助けを借りて電子がギャップを横切ることができるため、半導体は特定の条件下で電気を通すことができる。しかし、金属には基本的にバンドがない。
2008年以来、科学者たちは金属が効果的な電気伝導体である理由を説明するために、バンドギャップを利用しようとしてきた。対照的に、グラファインは特殊な例で、人類が知る限り最高の電気伝導体であるにもかかわらず、金属ではない。このため科学者たちは、グラファインの強力な導電性を利用することと、望むときに導電性を止めるように制御することの両方に興味を持った。
これが実現できれば、素晴らしい新種のトランジスタになるだろう。ギャップ工学は、グラファインを半導体のように振る舞わせようと懸命に努力したが、うまくいかなかった。
そのため、作られたトランジスタは効果のないウォルトであり、研究者たちはすでに機能していた製造工程を改良することで、より高品質のバンドを作ることができた。石英管を取り囲む銅コイルに高周波交流電流を流し、誘導によって層を1000℃まで加熱する。
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