Ученые МФТИ дали графену дорогу в квантовую тератронику

Ток в приборах на двухслойном графене протекает благодаря квантовому эффекту межзонного туннелирования, установили ученые Московского физико-технического института (МФТИ). Об этом 20 марта сообщает портал «Научная Россия».

Открытие исследователей МФТИ может послужить для создания нового типа электронных приборов — высокоскоростных энергоэффективных переключателей, детекторов излучения, а также химических и биологических сенсоров.

Результаты исследования ученые представили в статье «Терагерцовая фотопроводимость в двухслойных графеновых транзисторах: свидетельство туннелирования в переходах, индуцированных затвором», опубликованной в журнале Nano Letters.

Вся современная полупроводниковая электроника использует так называемый p-n-переход, который образуется в месте контакта двух областей полупроводника с примесями разной валентности.

Для носителей тока (электронов) p-n-переход является энергетическим барьером, который обусловлен силой противодействия со стороны внутреннего электрического поля, создаваемого в p-n-переходе разной валентностью примесей проводника.

Такой переход является «односторонним проводником», так как ток в нем может течь лишь при одной полярности поданного напряжения, снижающей энергетический барьер для электронов.

С помощью комбинирования двух p-n-переходов в середине ХХ века был создан транзистор, ставший основным элементом для обработки логических нулей и единиц в цифровых схемах, а вся двоичная логика стала реализовываться комбинацией необходимого числа транзисторов.

В 60-е годы XX века было обнаружено, что p-n-переходы могут проводить ток благодаря квантовому эффекту туннелирования — просачивания электронов сквозь энергетический барьер. Были созданы туннельные диоды, которые при приложении постоянного напряжения оказались способны генерировать радиоволны.

Кроме того, их высокая чувствительность к малым изменениям электрического напряжения привела к созданию электроники низкого энергопотребления.

Требования к повышению скорости срабатывания электронных приборов, вызванных потребностью в обработке больших объемов информации, инициировали поиск новых материалов с высокой электронной подвижностью. Такими материалами оказались графен — монослой углерода, его двухслойный аналог и некоторые халькогениды переходных металлов, такие как дисульфид вольфрама и селенид индия.

Почти с момента открытия графена и его модификаций в них научились формировать p-n-переход. Причем для этого не понадобилось добавлять разновалентные примеси — для создания энергетического барьера напряжения разной полярности подаются на управляющие электроды (затворы) над двумя сторонами перехода.

Однако для ученых оставался непонятым механизм протекания тока в p-n-переходах на основе двухслойного графена — было непонятно, протекает ли ток в этих переходах благодаря снижению энергетического барьера или благодаря квантовому просачиванию сквозь него.

Ответ на этот вопрос сумели дать ученые из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Исследование зависимости сопротивления перехода от температуры и фотопроводимости привело исследователей к выводу о доминирующем квантовом туннельном типе проводимости в двухслойном графене.

Эксперименты показали аномальное изменение сопротивления прибора от изменения температуры: нагрев p-n-перехода приводил к увеличению сопротивления, тогда как более высокая температура должна снижать барьер.

Однако в случае квантового туннельного характера тока он возможен лишь при достаточно точном совпадении уровней энергии электрона слева и справа от перехода. Поэтому нагрев, увеличивая энергию электрона, выталкивает его с разрешенного уровня, и сопротивление возрастает.

Заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ Дмитрий Свинцов рассказал:

«Обнаруженная нами ситуация оказывается очень перспективной для электроники. Во-первых, мы имеем высокую электронную подвижность в графене, что дает возможность создания быстрых полупроводниковых приборов. Во-вторых, мы имеем туннельный характер транспорта, а это дает возможность управлять током при малых напряжениях, то есть энергоэффективность. Подобной комбинации скорости и энергоэффективности было невозможно достичь в электронике на основе „классических“ полупроводниковых материалов».

Ученые исследовали зависимость сопротивления p-n-переходов при нагреве от внешнего освещения сверхвысокочастотным излучением с частотой около 100 ГГц. В результате было установлено, что сопротивление p-n-перехода на двухслойном графене очень чувствительно к излучению.

Поэтому такой переход может служить прекрасным сенсором электромагнитных волн, успешно конкурируя с полупроводниковыми болометрами. Исследователи предполагают, что увеличения чувствительности можно добиться подачей больших управляющих напряжений на затворы.

Они уверены, что технические приложения обнаруженного ими эффекта не ограничатся только детектированием сверхвысокочастотного излучения. Этот эффект поможет создавать закрытое состояние в транзисторах на основе двухслойного графена, что, в свою очередь, позволит внедрить этот материал в цифровую электронику.

Кроме того, туннельный эффект в двухслойном графене, считают исследователи МФТИ, позволит также детектировать не только излучения, но и следовые количества химических и биологических соединений, что может использоваться для создания чувствительных химических и биологических сенсоров.