Прототип сверхчувствительного сенсора на основе графеновых нанолент разработал международный коллектив специалистов из научных центров Германии, России, США, Канады и Японии. Детали исследования опубликованы в Nature Communications.

Cоавтор работы, старший научный сотрудник лаборатории неравновесных полупроводниковых систем ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Алексей Владимирович Ненашев в составе группы ученых занимался созданием численной модели, описывающей квантовые явления, за счет которых были достигнуты выдающиеся характеристики сенсорного устройства.

Высокая чувствительность сенсора обеспечивается эффектом квантового туннелирования и использованием латеральных гетеропереходов ― графеновые нанополоски разного типа проводимости размещаются бок о бок, а не наслаиваются друг на друга, как это традиционно бывает в полупроводниковых структурах.

Пока ученые показали высокую восприимчивость сенсора к литию, но рассчитывают, что сенсор будет чувствителен к любым веществам, которые могут быть донорами электронов. Это, например, другие щелочные металлы (натрий, калий и т.д.), некоторые газы (водород, угарный газ), сульфиды и иные соединения.

«Прототип сенсора представляет собой транзистор, в основе которого графеновые наноленты, иначе говоря, полоски двух видов: разной толщины и проводимости. Ширина полосок одного типа ― 7 атомов углерода, каждая такая полоска ― полупроводник с широкой запрещенной зоной, у другого типа полосок ― ширина в 14 атомов углерода, и это ― узкозонный полупроводник (почти металл). Стыки между разными типами полосок ― гетеропереходы ― были допированы литием (введена его небольшая концентрация), что улучшает характеристики транзистора. Графеновые полоски сначала выращивались на золотой подложке, а потом были перенесены на кремниевую подложку, покрытую оксидом кремния», ― объясняет Алексей Ненашев.

Во время экспериментов ученые обнаружили, что транзистор на основе нанолент лучше управляется ― требует меньшего напряжения на затворе для регулирования тока в сравнении с обычными полевыми транзисторами. То есть транзистор можно быстрее переключить, затрачивая меньше энергии. А сенсор на его основе будет чувствителен к очень малому количеству диагностируемого вещества.

Однако теоретическое обоснование механизма быстродействия оставалось неясным. Первый шаг к пониманию был сделан коллегиально. Специалисты научной группы предположили, что в структурах происходит квантовое туннелирование: электроны проходят сквозь «стены» ― энергетические барьеры. Далее детальной проработкой системы уравнений, подбором параметров модели занимался Алексей Ненашев.

Изображение графеновых нанолент, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа (Источник изображения: Nature Communications, лицензия Creative Commons)

Ю «Модель очень простая: наша система представляла собой несколько квазиметаллических нанолент (шириной в 14 атомов углерода), соединяющихся другими нанолентами (шириной в 7 атомов). Эти более узкие наноленты описывались в модели как потенциальные барьеры для электронов. При изменении напряжения на затворе транзистора электроны туннелировали (упрощенно говоря ― просачивались) через барьеры. Туннелирование возможно только в квантовом мире, и именно за счет использования этого квантового эффекта нашей группе удалось получить улучшенные транзисторные характеристики. В модели мы приняли, что все потенциальные барьеры абсолютно одинаковы, соответственно, приложенное напряжение делилось поровну между барьерами. Это сильное упрощение, но тем не менее модель прекрасно работала, и все экспериментальные данные в нее укладывались», ― объясняет Алексей Ненашев.

Прозрачность барьера, обусловливающая возможность электрона «просочиться», зависит от энергии, которой обладает частица. И важно, что если энергию изменить лишь слегка, то прозрачность барьера может возрасти на порядки.

Эффект туннелирования в полупроводниковых структурах был открыт в 1970-е годы и с тех пор получил массу практических применений: он используется при записи информации на флеш-память, в работе сканирующего туннельного микроскопа ― «картировании» атомных структур поверхностей.

Высокая чувствительность сенсора, который разработали исследователи, тоже связана с туннельной проводимостью. При попадании на канал транзистора вещества, способного отдавать электроны, резко изменится ток, протекающий через транзистор. Померив величину изменения, можно определить количество вещества, попавшего на канал.

Алексей Ненашев добавляет, что о практическом использовании результатов говорить рано: «Пока наша разработка находится на исследовательской стадии, это заявка не на технологию, а на принцип действия».

Однако на данном этапе авторы полагают, что их достижения будут важны для широкого круга специалистов, заинтересованных в создании новых типов электронных устройств, в которых используются низкоразмерные материалы.

Исследование выполнялось при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20–52–00016 Bel-a).