Molybdenit

Než ale začneme mezi křemík a grafen míchat ještě molybdenit, je třeba si ujasnit, o jaký materiál jde. Molybdenit, jinak též sulfid molybdenu (sulfid = sloučenina něčeho se sírou), chemicky MoS₂ je minerál vznikající typicky za vyšších teplot, nicméně se vyskytuje i v sedimentech a vzácně též meteoritech.

Vytváří soudečkovité krystaly, přičemž převažující formou jsou lístečky či šupinky (z hlediska tranzistorů ne moc relevantní fakt), po mechanické stránce je ohebný, ne však elastický, dá se velmi dobře krájet a je to dobrý vodič elektřiny, který je současně nemagnetický (oboje je hodně relevantní) a není radioaktivní.

Pro naši kotlinu je zajímavé, že mezi spoustou světových nalezišť molybdenitu je i řada v České republice a na Slovensku, velká naleziště jsou i na severoamerickém kontinentu, v Africe, Asii a dalších oblastech.

Molybdenitový tranzistor

Výzkumníci ve Švýcarsku se pustili do výroby tranzistoru z molybdenitu o tloušťce pouze jedné molekuly. Výhodou molybdenitu oproti křemíku je přímé "zakázané pásmo" ("bandgap"), které jej činí vhodnějším pro zařízení pracující s fotony (tedy například snímací čipy). Řada vědců pak věří, že molybden se pro budoucí využití v elektronických čipech ukáže být ještě vhodnějším než grafen.

Když jsme u grafenu, připomeňme pány Novoselova a Geima, nositele poslední Nobelovy ceny za fyziku právě za grafen. Právě oni v roce 2005 předvedli, že extrémně tenké vrstvičky molybdenitu lze vyrábět stejným postupem, jakým získávali grafen. Dále ale již nešli, takže prokázání skvělých vlastností molybdenitu bylo již na jiných, ačkoli velká část vědecké obce se od té doby soustředila primárně na grafen a o jiné "2D materiály" jevila malý zájem.

Zkoumat molybdenit se rozhodl tým Andrase Kise z Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), kteří po 18 měsících práce nyní přišli se svými závěry. Podařilo se jim výrobní proces zdokonalit tak, že jsou schopni vyrobit tranzistor spínatelný na jednotkových hodnotách napětí a současně mu lze přidávat věci jako high-k dielektrikum (například z HfO₂ - Oxid hafničitý, který v současných procesorech používá například Intel).

"Jednovrstvý" molybdenit má tloušťku pouze 0,65 nm (nebo chcete-li 650 pm), z něj budované případné čipy tak budou mít menší teplotní ztráty než tranzistory tvořené na bázi křemíkových čipů. Současné propočty odhadují, že s molybdenitem bude možné ve velikosti tranzistorů jít až někam k 3 až 4nm technologii, což není s křemíkem možné (bylo by třeba vrstvy tloušťky 0,3 nm a to je mimo možnosti křemíku).

Nevýhodou grafenu oproti molybdenitu je právě nedostatek zakázaných pásem ve struktuře. Grafen ve své podstatě není čistý polovodičový materiál a tudíž jej není možné tak snadno "vypínat" jako běžný polovodič. Molybdenit polovodičem je a protože má přímou strukturu pásem (na rozdíl od nepřímé u křemíku), je z uvedených materiálů dokonce potenciálně nejlepší - lze jej nejsnadněji "vypnout". Do grafenu sice lze strukturu zakázaných pásem "vpáchat" jeho rozřezáním na tenké "stužky" nebo použitím elektrického pole na dvojvrstvu grafenu, ale vše je ve srovnání s molybdenitem zbytečně složité. Buď musíte nejdříve porcovat 5,10nm stužky, nebo při použití dvojvrstvého grafenu "vypalovat" pásma napětím 100 V, čímž získáte "jen" 0,25eV (elektronvoltová) zakázaná pásma, přičemž 100V napětí například v mobilních zařízeních je spíše sci-fi než cokoli jiného.

S molybdenitem výzkumníci mají k dispozici 1,8eV zakázaná pásma od samého počátku díky vlastnostem materiálu a oproti dvojvrstvě grafenu je "vypnutí" daleko blíže dokonalému odpojení. Vědci ze švýcarského Lausanne jsou sice teprve na počátku cesty, ale jejich výzkum dává velký potenciál. Podaří se srazit výrobní náklady a dostat molybdenitovou technologii do stavu použitelného pro sériovou výrobu? Na to odpoví až nadcházející roky.

Andre Geim k tomu dodává, že tito Švýcaři dotáhli molybdenit do 100× vyšší kvality, než jaké dosahoval jeho tým v roce 2005. Věc je však zatím v laboratorním stádiu a přenos do běžných zařízení je vždy ošemetná věc. Pokud bude fungovat kombinace s Oxidem hafničitým, může se vše podařit a výzkum molybdenitu zažije explozivní růst. Švýcarští vědci doufají, že jejich práce bude dostatečnou motivací pro další vědce po celém světě, aby se do výzkumu molybdenitu jakožto polovodičového materiálu pustili také a tím přitáhli k tomuto prvku takovou pozornost a finance, jaké teď má grafen. Molybdenit lze velmi snadno a levně nakoupit a řada vybavení pro výrobu grafenu je použitelná i pro molybdenit.

20. století bylo stoletím křemíku. Bude 21. spíše grafenové, molybdenitové, nebo nás čeká ještě něco dalšího?