Лента TH Статьи о науке и технике


Вода откроет путь к графеновой наноэлектронике

∴ 172

Исследователи из Ренсилерского Политехнического Института (Rensselaer Polytechnic Inctitute) разработали новый метод создания и регулировки запрещённой зоны в графене. Это достижение открывает путь к графеновым транзисторам и наноэлектронике.

Исследовательская группа профессора Никхила Кораткара (Nikhil Koratkar), подвергая графен воздействию влажности, сумела создать в нём запрещённую зону — что является важнейшей предпосылкой создания графеновых транзисторов. Транзисторы — основа современной электроники, это устройства, которые могут находиться в двух состояниях («да» и «нет») и изменять таким образом электрический сигнал. Современные микропроцессоры состоят из миллионов кремниевых транзисторов. Однако современная промышленность находится в активном поиске преемника для кремния.

Графен — двумерная модификация углерода, пластинка толщиной в атом. В обычном состоянии запрещённая зона в графене отсутствует. Кораткар и его команда продемонстрировали, как можно создать и регулировать запрещённую зону в этом наноматериале. В зависимости от количества поглощённой воды, удавалось добиться значений ширины зоны от 0 до 0,2 эВ. Эффект полностью обратим, и в вакууме запрещённая зона вновь уменьшалась до нуля. Для этого не требуется никакой изощрённой наноинженерии или модификации графена — достаточно лишь ёмкости с точным контролем влажности.

«Графен ценится за уникальные механические свойства. Но если вы попробуете сделать из него транзистор, тот просто не заработает, потому что графен ведёт себя как полуметалл, — объясняет Кораткар. — В нашем исследовании мы показали сравнительно простой метод создания в графене запрещённой зоны. Это открывает путь к использованию графена в новом поколении транзисторов, наноэлектронных устройств, нанофотонике и прочих приложениях».

Результаты исследования опубликованы в журнале Small.

В обычном состоянии графен обладает своеобразной структурой, но лишён запрещённой зоны. По свойствам это металл и хороший проводник. В этом его отличие от резин и большинства пластиков, которые являются изоляторами и не проводят электричество. В изоляторах запрещённая зона — энергетическая зона между зонами валентности и проводимости — слишком велика для свободного тока электронов.

Полупроводники — это пограничные материалы, способные быть как проводниками, так и изоляторами. Их запрещённая зона узка, и приложенное электрическое поле может заставить электроны перепрыгивать через неё в зону проводимости. Именно за возможность быстрого переключения между двумя состояниями полупроводники и ценятся в микроэлектронике.

«В основе любого полупроводникового устройства лежит материал с запрещённой зоной, — говорит Кораткар. — Если взглянуть на любой из сегодняшних чипов и микропроцессоров в сотовых телефонах, мобильных устройствах, компьютерах, — в каждом обнаружим множество транзисторов, сделанных из полупроводников с запрещёнными зонами. У графена такой зоны нет, что резко ограничивает его использование. Поэтому чрезвычайно важно найти методы создания в нём запрещённой зоны — тогда он станет важным полупроводниковым материалом».

Причиной отсутствия запрещённой зоны является симметрия структуры графенового слоя. Кораткар рассмотрел идею нарушения этой симметрии путём присоединения молекул только к одной стороне графеновой пластины. Для реализации своего проекта он изготовил графен на подложке из кремния и диоксида кремния, а затем поместил графен в специальную камеру с контролируемой влажностью. Графен стал поглощать молекулы воды, которые присоединялись лишь к одной, открытой, стороне плоскости. С нарушением симметрии, по словам Кораткара, в графене как раз и открывается запрещённая зона. Также вклад в эффект даёт взаимодействие влаги с дефектами в диоксидовой подложке.

«Ранее в других исследованиях было показано, как создать запрещённую зону в графене путём поглощения различных газов, но впервые это было проделано с водой. Достоинство воды в её дешевизне, нетоксичности и простоте контроля при создании чипов», — поясняет суть достижения Кораткар. Учитывая успехи в микротехнологиях, будет довольно просто создать крохотные ёмкости на поверхности чипов, в которых возможно контролировать уровень влажности.

На рисунке: графеновая плёнка на кремниевой подложке подвергается воздействию воды.