Графен не перестает удивлять все новыми областями применения, где его предполагают использовать. На этот раз американским коллективом исследователей ему было поручено выполнять роль волновода («электроновода»).

Для этого учеными был собран полевой транзистор (с двумя дополнительными контактами), в котором показатель преломления (который для графена пропорционален энергии Ферми) под верхним затвором (ε₁), варьировался путем изменения напряжения на верхнем и обратном затворе, а за его пределами (ε₂) – изменением напряжения на обратном затворе. Когда |ε₁| превышает |ε₂|, то устройство работает в режиме волновода с критическим углом θс=sin^-1(|ε₁|/|ε₂|). Такой механизм авторы назвали оптически управляемым (OPG – optical guiding).

Рис. 1. (а) Общий вид полевого транзистора.
(b) Пропускание электронов в случае оптически
управляемого механизма (слева) и p-n
управляемого механизма (справа).

Рис. 2. а) На диаграмме показано преобладание того
или иного механизма, в зависимости от концентрации
носителей заряда под верхним затвором (n1) и за его
пределами (n2). b)-d) На диаграммах представлены плотности
тока для трех механизмов управления.

Однако это не единственный механизм реализации графенового «электроновода». Известно, что миграция электронов через p-n переход графена падает по экспоненте при увеличении угла падения, отсчитываемого от нормали к границе. Поэтому при больших углах будет наблюдаться почти полное отражение электронов. Поэтому в биполярном полевом транзисторе роль электроновода выполняет n-область. Такой механизм ученые назвали p-n управляемым (PNG – p-n guiding). Кроме того, в зависимости от подаваемого на верхний и обратный затворы напряжения может наблюдаться смешанный механизм управления.

Рис. 3. Зависимость эффективности пропускания электронов
от напряжения, подаваемого на верхний затвор при постоянном
напряжении на обратном затворе (-10 В) для различных величин
неупорядоченности на p-n переходе.

Чтобы оценить эффективность такого «электроновода» исследователи сравнили ток, подаваемый на инжекторный электрод (i) с током, детектируемым на коллекторном электроде ©, и ввели величину Ω=Тic/Тii, где Тnm – вероятность прохождения тока от контакта n к контакту m. За точку отсчета принимается величина Ω(ε₁, ε₁), соответствующая одинаковым коэффициентам преломления для обеих областей графена, тогда качественной мерой пропускания «электроновода» будет разность величины Ω(ε₁, ε₂) для рассматриваемого случая с различными показателями преломления ε₁ и ε₂ и точки отсчета Ω(ε₁, ε₁), которая обозначается γ(ε₁, ε₂). В целом, в эксперименте наблюдается следующая закономерность – Ω^OPG>Ω^OPF/PNG>Ω^PNG.

Эффективность «электроновода» может быть увеличена, если перпендикулярно p-n переходу приложить магнитное поле. Так при приложении магнитного поля, с величиной индукции 5 Тл, γ увеличилась почти в 2 раза (с 0.24 до 0.50).

Результаты исследований опубликованы в статье:

J. R. Williams, Tony Low, M. S. Lundstrom & C. M. Marcus Gate-controlled guiding of electrons in graphene. – Nature Nanotechnology (2011) doi:10.1038/nnano.2011.3; Published online 13 February 2011.