Двухслойный графен — перспективный материал, который найдёт применение в электронных и оптических устройствах следующего поколения

Опубликовано: 13 января 2017 года

Рубрика: Дайджест, Информационные технологии

Как сообщает Московский физико-технический институт, международной группе учёных удалось систематизировать информацию о двухслойном графене — перспективном материале, который, как ожидается, найдёт применение в электронных и оптических устройствах следующего поколения.

Сообщается, в работе приняли участие специалисты из Института физико-химических исследований RIKEN (Япония), ИТПЭ РАН, МФТИ, Всероссийского НИИ автоматики и Мичиганского университета (США).

Графен обладает необычными механическими, электрическими и оптическими свойствами.

Одна из особенностей материала — высокая подвижность носителей заряда, в десятки раз больше, чем у кремния. Электроны и дырки в графене легко и быстро перемещаются под действием внешнего электрического поля. Но транзистор, построенный на однослойном графене, невозможно эффективно «закрыть». Это связано с тем, что у графена нет запрещённой зоны (запрещённых энергетических состояний для электронов), а значит, через него всегда будет течь ток.

В свою очередь, двухслойный графен позволяет локально создавать запрещённую зону и управлять её величиной, прикладывая разность потенциалов перпендикулярно слоям. Это значит, что на его основе может быть построено новое поколение транзисторов, обладающих высокими показателями быстродействия и энергетической эффективности.

«Но говорить о революции в микроэлектронике ещё рано. Получить качественные образцы двухслойного графена намного сложнее, чем однослойного, при этом электрические свойства двухслойного графена (например, подвижность) существенно зависят от качества и точности совмещения слоёв», — говорится в материале МФТИ.

Ожидается, что систематизация информации о двухслойном графене поможет ускорить исследования, связанные с его практическим применением.

P.S.

Графен — первый известный истинно двумерный кристалл. Это двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла.

В отличие от более ранних попыток создания двумерных проводящих слоёв, к примеру, двумерный электронный газ (ДЭГ), из полупроводников методом управления шириной запрещённой зоны, электроны в графене локализованы в плоскости гораздо сильнее.

Многообразие химических и физических свойств обусловлено кристаллической структурой и π-электронами атомов углерода, составляющих графен. Широкое изучение материала в университетах и исследовательских лабораториях связано, прежде всего, с доступностью и простотой его приготовления с использованием механического расщепления кристаллов графита.

Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом, и, как было показано в 1947 году Ф. Уоллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что, несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, у графена есть несколько существенных отличий, делающих носители в нём уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Несмотря на такие специфические особенности, до 2005 года экспериментального подтверждения эти выводы не получили, поскольку не удавалось получить графен. Кроме того, ещё раньше было теоретически показано, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.

Интерес к графену появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория графена строилась на простой модели развёртки цилиндра нанотрубки. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.

Материалом, проявившим свои уникальные свойства: высокую проводимость и теплопроводность, прочность, заинтересовались не только учёные, но и технологи, а также связанные с производством процессоров корпорации IBM, Samsung.

Принцип работы транзисторов из графена существенно отличается от принципа работы традиционных полевых кремниевых транзисторов, так как графен имеет запрещённую зону нулевой ширины, и ток в графеновом канале течёт при любом приложенном затворном напряжении, поэтому развиваются иные подходы к созданию транзисторов.

Один из существующих в настоящее время способов получения графена в условиях научных лабораторий основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита от высокоориентированного пиролитического графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура.

Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния — гораздо ближе к промышленному производству.

См. также: