Графен поставил точку на транзисторах

Учёные создали на основе графена миниатюрный транзистор, работающий при комнатной температуре, и попутно обнаружили в нём новое физическое явление. Об уникальном достижении нам рассказал сам Константин Новосёлов – первооткрыватель графена и один из авторов новой работы.

Константин Новосёлов

Полупроводниковая промышленность продолжает свой триумфальный марш – транзисторы становятся все меньше, микрочипы – все производительней, электронные схемы – все сложнее и сложнее. Однако чем дальше заходит миниатюризация кремниевых микрочипов, тем сильнее начинают проявляться в их работе квантовые эффекты, нарушающие электронные свойства проводников и диэлектриков.

Пока компании-производители постепенно подбираются к так называемому квантовому порогу в изготовлении микрочипов из кремния, ученые без устали ищут направления дальнейшего развития наноразмерных электронных устройств. Взгляды большинства из них устремлены в сторону двумерного углеродного материала – графена. Как показали первооткрыватели этого удивительного материала – Константин Новосёлов и его команда из британского Манчестерского университета, использование графена позволяет обратить мешающие в других случаях наноразмерные квантовые эффекты во благо.

Пока множество научных групп продолжает заниматься характеризацией электрофизических параметров материала, манчестерская группа сумела сделать на его основе одноэлектронный транзистор – потенциальный единичный элемент графеновых микросхем будущего.

Ученым удалось не только показать работоспособность подобного рода электронных устройств уже при комнатной температуре, но и обнаружить новое физическое явление, не получившее пока теоретического объяснения и нуждающееся в дальнейших исследованиях. Работа Новосёлова и его коллег опубликована в сегодняшнем номере Science (18.04.2008).

• * *

Графен – двумерный кристаллический углеродный материал, который удобно представить в виде одного слоя углеродных атомов, образующих слоистую структуру графита. Впервые экспериментально получен и описан этот материал был в 2004 году группой российских ученых, часть которых трудится в настоящее время в Манчестерском университете под руководством Константина Новоселова, а часть – двигает науку в стенах Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов в Черноголовке.

Графен очень прочен и гибок, так как его структура в пересчете на всю площадь образца, сотканного из прочных сигма–связей sp2гибридных электронных орбиталей, имеет очень мало дефектов.

В настоящее время большинство ученых сходятся во мнении, что углеродные материалы в недалеком будущем придут на смену кремнию в микроэлектронной промышленности.

Графен уникален тем, что благодаря своей двумерной структуре может проявлять как свойства проводника, причем очень хорошего, так и полупроводниковые свойства.

Разработка методики его промышленного получения практически сразу приведет к созданию первых интегральных микросхем. В настоящее время графен получают вручную отшелушиванием атомарных графитовых слоев, связанных в кристалле слабыми Ван-дер-Ваальсовыми взаимодействиями.

Кроме того, в настоящее время графен – практически единственный «живой» пример настоящего двумерного проводника, особая энергетическая структура которого позволяет наблюдать различные релятивистские эффекты, связанные с движением носителей заряда. Часть из этих эффектов уже наблюдалась физиками на других системах, а часть еще предстоит объяснить.

• * *

Как получают графен? Многим из нас трудно представить, каким образом ученые легко и просто управляются с двумерными материалами толщиной всего в 1 ангстрем – десятую часть нанометра. Как рассказал читателям «Газеты.Ru» сам Новосёлов, его лаборатория использует очень простую и давно отработанную методику работы с графеном.

Исходным материалом для создания двумерных углеродных объектов является кристалл графита относительно большого размера – примерно 100 на 100 микрон. С помощью материала с высокой адгезией – по-простому говоря, очень липкого скотча – с поверхности кристалла буквально сдирается одноатомный углеродный слой. Затем пленка прижимается к поверхности монокристальной кремниевой пластины – основного объекта современной силиконовой микроэлектронной промышленности. После удаления пленки на поверхности тонного оксидного слоя пластины остаются кусочки графена. Как говорит Новоселов, маленькие графеновые островки на поверхности оксида кремния можно различить даже с помощью хорошего оптического микроскопа.

«Существуют публикации, описывающие получение графеновых слоев раскручиванием многостенных углеродных нанотрубок, однако мы не видим существенных недостатков в нашей, куда более простой и доступной методике», – добавил первооткрыватель.

• * *

Одноэлектронные устройства – (Single Electron Devices, SED) – перспективные устройства, позволяющие минимизировать потребляемую мощность и рабочие напряжения интегральных микросхем будущего. Благодаря наличию областей сверхмалой проводимости, имеющих очень низкую ёмкость, они позволяют получать заметные изменения напряжения в схеме манипуляциями с единичными электронами.

При этом можно изолировать соответствующую область от туннелирования электронов через её границы с помощью эффекта кулоновской блокады, который и используется для управления током – по сути, перемещением отдельных электронов – внутрь и из области.

Фундаментальной основой одноэлектронной электроники является одноэлектронный транзистор (SET). Он содержит только одну область проводимости, соединённую с истоковым и стоковым электродами туннельными барьерами. Электрод затвора управляет протекающим через область проводимости током посредством ёмкостной связи с областью.

В перспективных устройствах, имеющих несколько областей со взаимной ёмкостной связью, возможна реализация принципиально новых логических схем.

• * *

Одноэлектронный транзистор Новосёлова, в центре фотографии можно различить «квантовый» островок

Основу одноэлектронного графенового транзистора Новосёлова составляет квантовая точка, вырезанная из листа графена. Вообще говоря, этот объект, который сами создатели называют «квантовым островом», является частью большого графенового листа, с которым соединяется через очень тонкие электроды. Однако как только размеры этого «острова» становятся достаточно маленькими, его электрические свойства начинают проявлять сильный квантовый размерный эффект, который и лежит в основе работоспособности одноэлектронного графенового транзистора.

Дело в том, что носители заряда в графене по своим свойствам отличаются от носителей заряда в обычных металлах и полупроводниках. Обычные электроны обладают массой, и скорость их движения в проводнике то увеличивается, то уменьшается – это происходит, например, при соударениях с атомами в узлах кристаллической решетки твердого тела. «Графеновые» электроны движутся всегда с постоянной скоростью, не зависящей от их кинетической энергии. Таким образом, электроны в графене ведут себя, как безмассовые частицы.

Тем интереснее поведение таких электронов в ограниченном пространстве «квантового острова».

• По словам Новосёлова, это пространство определяет так называемый «размер электрона»: носитель заряда, оказавшись внутри квантовой точки-острова, не только не может выбраться оттуда самостоятельно, но и не позволяет новым электронам стечь с электродов в область квантового острова. Это явление, обусловленное электростатическим взаимодействием заряженных частиц, называется кулоновской блокадой, оно уже упоминалось в рассказе о работе отечественных ученых над явлением антисверхпроводимости.

Энергетические уровни запертой на острове заряженной частицы при приложении магнитного поля (так называемые уровни Ландау) оказываются сильно разнесены по шкале энергий. Их разброс намного превышает аналогичный параметр для привычных нам металлических или полупроводниковых электронов.

Манчестерская команда впервые показала, что расщепление уровней Ландау при уменьшении размеров квантового острова до 100 нм и ниже позволяет графеновому одноэлектронному транзистору работать уже при комнатной температуре.

«Значение этого открытия для микроэлектронной промышленности трудно переоценить, – говорит Новосёлов. – По сути, мы показали, как с помощью технологий сегодняшнего дня изготовить одноэлектронный транзистор на основе графена и заставить его работать при комнатной температуре».

Возможно, эта работа означает начало прямого наступления графена на область, где раньше безраздельно властвовал кремний.

Еще одно практическое значение работы состоит в том, что ученым удалось наблюдать квантовый эффект Холла на графеновом устройстве – также уже при комнатной температуре.

«Этому, несомненно, обрадуются метрологи, занимающиеся поверкой своих электроизмерительных приборов», – уверен первооткрыватель графена.

• * *

Целочисленный и дробный квантовые эффекты Холла

Квантовый эффект Холла – эффект квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. Квантовый эффект Холла (КЭХ) был… (http://www.gazeta.ru/…698400.shtml)

• * *

Дело в том, что электрическое сопротивление материала при возникновении квантового эффекта Холла квантуется и зависит только от универсальных квантовых величин, а не от параметров устройства. Это позволяет использовать его в виде универсальной «точки отсчёта» при определении многих электрических величин.

Работа квантового транзистора при высокой температуре – очень многообещающий факт.

Многие из нас не раз сталкивались с посулами скорого применения сверхпроводимости в быту, однако мало у кого осталась надежда, что функциональные свойства материалов, прежде наблюдавшиеся только вблизи абсолютного нуля, когда-либо станут доступными при нормальных условиях. Для простого человека что –269, что –184 градуса по Цельсию – одинаково холодно. Не говоря уж о разнице в милликельвины, которую физики подчас готовы отстаивать с пеной у рта.

Можно надеяться, что открытие команды Манчестерского университета не только воодушевит работников микроэлектронной сферы, но и заставит простых людей не махать рукой на очередные открытия в области нуля градусов по Кельвину.

Разумеется, эти явления имеют под собой фундаментальную физическую основу, которую ученые выразили в названии своей статьи (Chaotic Dirac Billiard in Graphene Quantum Dots).

Говоря о новом физическом эффекте, прежде никогда не наблюдавшемся в графене, который учёные окрестили «хаотическим дираковским бильярдом», Константин Новосёлов сравнил движение электрона в ограниченном пространстве с катанием бильярдного шара по зеленому столу.

«Если вы пошлете шар из центра стола влево с такой силой, что, отскочив от стенки, он вернется в исходное положение, а потом сделаете то же самое в правом направлении, то в итоге в обоих случаях вы получите системы, идентичные исходной, – пояснил он. – В случае системы, в которой электрон бесконечно рикошетит о стенки квантового острова ни исходная, ни первая, ни вторая система, аналогичные системе бильярдный шар – стол, не будут эквивалентны друг другу».

По словам манчестерского учёного, подобная ситуация может наблюдаться в ряде других, намного более сложных систем, однако в графене выявлена впервые и до сих пор не имеет строгого теоретического обоснования.

Валерий Кривецкий

http://www.gazeta.ru/…698715.shtml

«Значение этого открытия для микроэлектронной промышленности трудно переоценить, – говорит Новосёлов. – По сути, мы показали, как с помощью технологий сегодняшнего дня изготовить одноэлектронный транзистор на основе графена и заставить его работать при комнатной температуре». Да, тут уж ни добавить, ни прибавить… Уже не трудно будет представить, как в один прекрасный день студенты и школьники начнут изучать «графеновую электронику», которая вначале будет выглядеть столь же экзотичной, как и полупроводниковая электроника – для «ламповиков»… Но в этом и состоит прогресс науки и техники. Или, как говорит один из основополагающих законов диалектики, «закон отрицания отрицания», характеризующий направление процесса развития, единство поступательности и преемственности в развитии, возникновения нового и относительной повторяемости некоторых моментов старого… Несколько мудрёно, но зато правильно!..