Исследователи из Политехнического института Ренсселаера разработали новый метод обработки графена, позволяющий в перспективе массово производить графеновые транзисторы. Американские ученые с помощью обычной воды теперь могут создавать и настраивать ширину запрещенной зоны в графене. Это один из ключевых этапов конструирования транзисторов, которые являются основным компонентом современной электроники. Создание графенового транзистора, пригодного к массовому производству, совершит настоящую революцию в электротехнике.

Ширина запрещенной зоны во многом определяет характеристики электропроводимости полупроводника. Согласно зонной теории строения твёрдого тела любой кристалл имеет несколько зон. Совокупность энергетических уровней, занятых электронами, составляет валентную зону. Зоной проводимости называют энергетические уровни, незаполненные электронами. Между зонами движутся электроны. Расстояние между этими зонами называют шириной запрещенной зоны, по сути это минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Ширина запрещенной зоны определяет важные параметры полупроводника, например, энергию испускаемых фотонов в светодиодах и полупроводниковых лазерах.

Опытный образец демонстрирует регулируемый уровень проводимости

Ученые подвергли пленку графена воздействию влажности и смогли создать запрещенную зону. Адсорбцией нужного количества влаги на одной из сторон материала можно регулировать ширину зоны в широких пределах: от 0 электронвольт в вакууме до 0,2 электронвольт при повышенной влажности. Новая технология не требует каких-либо сложных инженерных сооружений или модификации графена – нужна только емкость, в которой можно регулировать влажность.

«Графен ценится за его уникальные механические свойства. Но сделать из него транзистор не получается, так как графен имеет нулевую запрещенную зону, – объясняет профессор Никхил Кораткар (Nikhil Koratkar). – Нам удалось найти относительно простой способ создания в графене запрещенной зоны. До создания нанотранзистора из чистого графена – один шаг».

В своем естественном состоянии графен имеет своеобразную структуру без запрещенной зоны. Он ведет себя как металл и отлично проводит ток. Диэлектрики наоборот имеют большую ширину запрещенной зоны, что не дает электронам свободно перемещаться. Полупроводник может функционировать и как проводник и как диэлектрик. Полупроводник имеет узкую запрещенную зону и под воздействием электрического поля электроны могут «перепрыгивать» из валентной зоны в зону проводимости. Способность быстро переключаться между двумя состояниями («вкл» и «выкл») – это незаменимое качество полупроводников, которое определяет все алгоритмы работы современных сложных электронных приборов. Таким образом, запрещенная зона, по сути, лежит в основе любого полупроводникового прибора: от сотового телефона, до суперкомпьютера.

Симметричная решетка графена – главная причина отсутствия в нем запрещенной зоны. Ученые нарушили эту симметрию путем связывания молекул на одной из сторон графена. Во время обычного процесса выращивания графена на поверхности диоксида кремния, графен подвергли воздействию контролируемой влажности. В результате молекулы воды адсорбировались на наружной стороне графена, а сторона, обращенная к диоксиду кремния, осталось в своем естественном состоянии. В результате симметрия нарушилась и появилась запрещенная зона.