Последние достижения в графеновой электронике

В предлагаемом обзоре объединены самые последние достижения в области исследований графена – материала, которому ученые прочат большое будущее.

В частности, графен может использоваться в электронных устройствах нового типа, характеристики которых намного превосходят показатели современных устройств. Этот материал продолжает наш предыдущий обзор по электронным свойствам графена.

Графеновые плазмоны для электрических цепей нового поколения

Ученые из США продемонстрировали возможность создания контролируемых плазмонов в графене. Это открытие позволит создавать электронные цепи нового типа, микроскопы с очень большим разрешением и метаматериалы следующего поколения.

Группа ученых из Университета Калифорнии под руководством Дмитрия Басова утверждает, что возможность распространения поверхностных плазмонов (квантов колебаний плотности электронной плазмы, сопровождающихся продольными колебаниями электрического поля) по графену – важный шаг на пути передачи информации в структурах, в которых недостаточно велико пространство для передачи света. Ученые также показали, что с помощью электрического тока можно управлять длиной и амплитудой этих электронных волн.

В экспериментах использовались плоскости графена, нанесенные на основу из диоксида кремния. Графен освещали инфракрасным лазером и производили измерения с применением сверхчувствительного атомно-силового микроскопа. Собственно электронные волны измерить не представлялось возможным, поэтому фиксировалась картина интерференции колебаний, порожденных светом лазера, и их отражения от краев графена. Оказалось, что интерференционный рисунок можно изменять, управляя электрической цепью из электродов, которые присоединялись к слою графена и слою чистого кремния под кристаллами.

Плазмоны, как и свет, который используется для переноса информации по оптоволокну, могут служить для передачи данных. Наилучшим материалом для создания плазмонов считаются металлы, однако эти квазичастицы очень трудно контролировать.

Басов утверждает, что наблюдавшиеся плазмоны имели одну из самых коротких длин волн среди измеренных до сих пор, но распространялись так же далеко, как и плазмоны в металлах. Однако, в отличие от последних, плазмонами в графене можно управлять.

«Барабаны» из графена для новых электронных устройств

Ученые из института NIST и Университета Мэриленда показали, что под воздействием механического напряжения графен ведет себя так, как если бы он находился в магнитном поле, и создает квантовые точки – фрагменты полупроводника, которые можно использовать в электронных устройствах. Результаты этого исследования были опубликованы в июньском выпуске журнала Science.

Графен, представляющий собой одноатомный слой атомов углерода, которые расположены в виде решетки типа пчелиных сот, обеспечивает максимальную подвижность электронов среди всех известных материалов, что делает его первым кандидатом для применения в самых разных приложениях, начиная с гибких дисплеев и заканчивая быстродействующими транзисторами.

Однако из-за того, что графен не имеет запрещенной зоны, – энергетического порога, ниже которого он не проводит электричества, графен не может использоваться в цифровых вычислительных приложениях в качестве переключателя состояний вкл./выкл. для передачи сигналов и обработки информации.

Николай Климов и его коллеги из NIST (National Institute of Standards and Technology), «растянул» графеновую пленку над небольшими отверстиями в подложке из диоксида кремния. Таким образом, получились своеобразные «барабаны», которые прогибались и вспучивались под иглой электронного микроскопа. Состояние барабанов, контролировавшееся с помощью проводящей пластины под подложкой с графеном, позволило наблюдать, как меняются электрические свойства графена.

При приближении щупа микроскопа к поверхности натянутой пленки она приподнималась навстречу в результате действия слабой электрической силы Ван-дер-Ваальса, которая создает притяжение между атомами и молекулами на малых расстояниях.

Когда приподнявшаяся графеновая пленка образовывала купол, участок на его вершине приобретал свойства квантовой точки, т.е. полупроводника, в котором электроны удерживаются в небольшой области пространства.

Создание таких квантовых точек в графене путем модификации его формы обеспечивает высокую скорость носителей и создание запрещенной зоны, необходимой для реализации вычислительных возможностей.

По мнению ученых, этот эффект объясняется тем, что протекание электронов по графену определяется его гексагональной структурой. При растяжении шестиугольников энергия вблизи верхней точки графеновой пленки понижается, вынуждая электроны двигаться по орбитам, напоминающим форму листка клевера – почти так, как если бы они перемещались в вертикально меняющемся магнитном поле.

Обычно для создания квантовой точки в графене используется наноразмерный фрагмент этого вещества. Работа ученых доказывает, что эту точку можно создать с помощью псеводмагнитных сил, возникающих под воздействием механического напряжения. Эта работа – еще один значительный шаг на пути создания графеновых электронных устройств.

Ученые из института NIST показали, что графеновая мембрана, натянутая над 1-мкм отверстиями в подложке, создает псевдомагнитные поля, под воздействием которых образуются квантовые точки. Рисунок: N. Klimov и T. Li, NIST/UMD

Простой и недорогой метод серийного производства графена

Исследователи из Франции разработали недорогой метод производства графена, который достаточно легко реализуется почти в любой лаборатории мира.

Основу технологического процесса составляет смешивание оксида графена с компаундом TTF (H₂C₂S₂C)₂ и обработка в системе ультразвуковой очистки. При взаимодействии с компаундом оксид графена превращается в графен, а молекулы TTF окисляются.

Полученный композит состоит из хлопьев графена с молекулами TTF. При высыхании раствора на электроде появляется ровная графеновая поверхность контролируемой толщины 100–500 нм. На завершающем этапе производства эта поверхность очищается от молекул TTF с помощью химической реакции.

Графеновые микросхемы толщиной в один атом углерода

Уникальные электрические свойства графена вдохновляют многих ученых на создание интегральных схем толщиной в один атом углерода. Однако на пути коммерческой реализации этих идей имеются определенные трудности. Ученые из Университета Флориды недавно решили одну из таких проблем, связанную с крупносерийным производством графена.

Эта группа ученых разработала новый многообещающий метод создания графена на поверхности карбида кремния (SiC). При температурах около 1300°С атомы кремния покидают поверхность этого материала, в результате чего атомы углерода образуют пластины чистого графена. Прежде ученые использовали метод термического разложения для создания графеновых пластин большого размера, которые затем подвергались травлению до образования требуемых структур.

Однако в процессе травления могут появляться дефекты или химические примеси, которые уменьшают высокую подвижность электронов в графене. Метод, разработанный группой ученых из Университета Флориды, позволяет ограничить размер графеновой структуры 20 нм. Исследователи обнаружили, что температура образования графена на поверхности карбида кремния, легированного ионами кремния или золота, уменьшалась приблизительно на 100°С. При этом ионы имплантировались только в те места, где требовалось образование графеновых слоев. Затем карбид кремния разогревался до 1200°С. При этой температуре беспримесный карбид кремния не образует графена, в отличие от легированных областей.

С помощью этого метода группа ученых создала наноразмерные графеновые ребра. Дальнейшее усовершенствование этого метода, описанного в журнале Applied Physics Letters Американского института физики, по мнению ученых, позволит избирательно выращивать графен при еще более низких температурах.

Фотодетектор на графене с квантовыми точками

Испанские ученые решили использовать комбинацию графена и квантовых точек для создания фотодетектора высокой чувствительности. Собственно графен не подходит для создания фотодетекторов, поскольку плохо поглощает свет.

Графен располагается на подложке между золотыми электродами. Рисунок: Konstantatos et al.

Ученые увеличили долю поглощаемого света за счет нанесения на графен квантовых точек. В ходе эксперимента к графену присоединяли микроскопические золотые электроды. Затем на него наносили кристаллы сульфида свинца, после чего полученное устройство облучали светом разных длин волн. Для увеличения диапазона поглощаемых длин волн кристаллы имели разный размер.

После тщательного подбора методики изготовления и нанесения кристаллов исследователям удалось добиться внутренней квантовой эффективности (т.е. доли переданных графену квантов от тех, что образовались в квантовых точках), равной 25%, что говорит о весьма высокой эффективности передачи.

Разработанный метод можно использовать для создания светочувствительных приборов – матриц фотоаппаратов, камер, приборов ночного видения и пр.

У графена появился соперник – графин

Он должен обладать более перспективными электрическими свойствами, пригодными для создания электронных устройств, чем графен.

Несколько последних лет в научных исследованиях, посвященных графену, наблюдается настоящий бум. Однако результаты компьютерного моделирования показали, что материал под названием графин (graphyne) должен обладать более перспективными электрическими свойствами, пригодными для создания электронных устройств, чем графен.

Углеродная решетка 6,6,12-графина

Как и графен, графин состоит из атомов углерода, соединенных в кристаллическую решетку толщиной в один атом. Различие между этими материалами в том, что кристаллическая решетка графина имеет более сложную форму – помимо двойных межатомных связей она содержит еще и тройные связи. Компьютерные исследования группы ученых из университета Эрлангена-Нюрнберга показали, что некоторые типы графиновых структур позволяют электронам перемещаться только в одном направлении, чем не может похвастаться графен.

У графина энергия электронов проводимости прямо пропорциональна их количеству движения. Энергетические уровни электронов в трехмерном пространстве имеют форму т.н. конусов Дирака. За счет этого уникального явления электроны проводимости ведут себя так, как если бы они не имели массы, что позволяет им перемещаться со скоростями, близкими к скорости света.

Компьютерные модели графина-6,6,12 показывают, что за счет существования тройных связей электроны могут передвигаться по кристаллической решетке графина быстрее, чем в графене. Следовательно, графин должен обладать ещё большей электропроводностью. Кроме того, кристаллическая решетка графина-6,6,12 за счет возникновения конусов Дирака проводит электрический ток только в одном направлении. Именно это свойство позволит исследователям создавать на основе графина высокоэффективные полупроводниковые элементы – диоды и транзисторы, обладающие превосходными высокочастотными характеристиками. Графину, в отличие от графена, не потребуются легирующие примеси в качестве источников электронов.

Следует заметить, что графин был получен в лаборатории всего один раз, а его кристаллическая структура совершенно отличалась от смоделированной на компьютерах. Однако Андреас Гёрлинг (Andreas Görling), один из авторов этого исследования, надеется на то, что его работа вдохновит ученых на создание 6,6,12-графина, чтобы проверить предсказанные свойства этого вещества.

Источники: New Electronics, Science Daily, RussianElectronics

Оставьте отзывОтмена