В исследовании, опубликованном в журнале Science, манчестерская команда под руководством Нобелевских лауреатов, профессоров Андрея Гейма и Константина Новоселова, в буквальном смысле слова открыла новое измерение в области исследований графена. Они продемонстрировали трехмерный графеновый транзистор, который позволит графену стать новым кремнием.

Графен является поразительным материалом, состоящим из одного слоя атомов углерода, обладающим бесчисленными уникальными свойствами в самых разных областях, начиная с электрической и химической и заканчивая оптической и механической.

Одним из множества потенциальных способов применения графена может стать использование его в качестве базового материала компьютерных чипов, вместо кремния. Такая перспектива уже успела привлечь крупных изготовителей чипов, включая IBM, Samsung, Texas Instruments и Intel. Отдельные графеновые транзисторы с очень высокими частотами (до 300 Гц) уже были продемонстрированы множеством групп по всем миру.

К сожалению, эти транзисторы не могут быть плотно упакованы в компьютерном чипе, поскольку уровень утечки тока слишком велик, даже для графена в наиболее непроводящем ток состоянии. Этот электрический ток приведет к расплавлению чипа в доли секунды.

Эта проблема преследует графеновые транзисторы с 2004 года, когда манчестерские исследователи сообщили об открытии графена. Несмотря на усилия мирового научного сообщества, с тех пор не было обнаружено решения данной задачи.

Ученые из Манчестерского университета предложили использовать графен не в горизонтальной, как во всех предыдущих исследованиях, а в вертикальной плоскости и создали так называемый туннельный диод.

Доктор Леонид Пономаренко, который проводил экспериментальную работу, сказал: "Мы испытали концептуально новый подход к графеновой электронике. Наши транзисторы хорошо себя показали. Я считаю, что они могут быть значительно улучшены, уменьшены в размерах до нанометровых величин и доведены до суб-Тгц частот".

"Продемонстрированные транзисторы важны, но концепт атомной слоеной сборки, пожалуй, еще важней", - пояснил профессор Гейм. Профессор Новоселов добавил: "Туннельные транзисторы - только один пример из неисчислимого количества возможных слоеных структур и новых устройств, которые могут быть созданы подобным образом. Это открывает неисчислимые возможности, как для фундаментальной физики, так и для практического применения. Другие возможные примеры включают светодиоды, фотогальванику и так далее".

Источник: http://globalscience.ru/article/read/20228/

Изготовлен «вертикальный» графеновый транзистор

Группа физиков из Великобритании, Нидерландов, России, Португалии и США, возглавляемая лауреатами Нобелевской премии Андреем Геймом и Константином Новосёловым, изготовила графеновый транзистор необычной, «вертикальной» компоновки.

К отличительным характеристикам графена, напомним, относятся металлическая проводимость в точке нейтральности, где соприкасаются зависимости энергий электронов и дырок от квазиимпульса, имеющие форму конусов, и беспрепятственный перенос электронов через потенциальные барьеры за счёт клейновского туннелирования. При создании транзисторов такие свойства ограничивают соотношение токов в открытом и закрытом состояниях, не позволяя ему подниматься выше ~103; в условиях комнатной температуры это соотношение пока не доходило даже до 10.

Возможным решением проблемы было бы создание запрещённой зоны путём использования двуслойного и трёхслойного графена, нанолент или графана (продукта взаимодействия графена с водородом). Работы в этом направлении уже развёрнуты, однако их результаты пока не впечатляют: открытие запрещённой зоны обычно приводит к снижению «качества» графена — скажем, заметному уменьшению подвижности носителей заряда.

Упрощённая трёхмерная модель «вертикального» транзистора и полная схема расположения слоёв в его структуре (иллюстрации L. Ponomarenko / Science).

В новых экспериментах, напротив, использовался самый обычный графен, но структуру транзистора постарались сделать оригинальной. На стандартную пластину окисленного кремния исследователи нанесли сравнительно толстый слой гексагонального нитрида бора (hBN), который сыграл роль высококачественной атомарно-гладкой подложки. Поверх hBN учёные положили графен, закрытый тонкой прокладкой из гексагонального нитрида, выполняющей функции изолирующего барьера, и ещё одним монослоем атомов углерода. Последним элементом сложной конструкции, напоминающей сэндвич, стал второй толстый слой hBN.

При испытаниях устройства с такой «вертикальной» компоновкой физики прикладывали управляющее напряжение Vg между кремниевой подложкой и нижним графеновым электродом GrB, наблюдая за тем, как это повлияет на величину туннельного тока I. В результате выяснилось, что ток чётко следует за изменениями Vg, причём отношения значений туннельной проводимости σ = I/Vb (Vb — напряжение смещения, прикладываемое между монослоями атомов углерода GrB и GrТ), измеренной на разных Vg, доходили до ~50. Вольт-амперные характеристики транзисторов, снятые при температуре жидкого гелия и в комнатных условиях, практически совпадали.

Влияние управляющего напряжения транзистора, которое меняется с шагом в 10 В, на величину туннельного тока (иллюстрация из журнала Science).

По мнению авторов исследования, транзисторы нового типа весьма перспективны: они способны работать на очень высоких частотах и выгодно отличаются тем, что их поперечные размеры можно снизить до ~10 нм. Поскольку никаких жёстких ограничений на величину отношения токов в открытом и закрытом состоянии нет, в будущем, при оптимизации структуры и использовании более качественных диэлектриков (замене SiO2), она также должна заметно подняться.

Полная версия отчёта опубликована в журнале Science; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам Nanotechweb.Org.

Источник: http://science.compulenta.ru/659346/