http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=25a424f7-24ef-4b8f-b10a-fbc63f4c9297&print=1© 2024 Российская академия наук
С момента открытия графена в 2004 году российско-британскими физиками Андреем Геймом и Константином Новоселовым, ученые пытаются приспособить этот материал для создания электроники. Однотипные проблемы — высокие токи утечки, сложности в работе с графеном и проблемы при нанесении подложки-изолятора мешают физикам создать транзисторы, приспособленные для промышленного производства.
"Дело здесь не столько в том, чтобы сэкономить электричество — электроэнергии у нас хватает. При меньшем энергопотреблении электронные компоненты меньше нагреваются, а значит, могут работать с более высокой тактовой частотой — не один гигагерц, а, например, 10 или даже 100", — поясняет Дмитрий Свинцов, ведущий автор исследования из Московского Физтеха в Долгопрудном, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Свинцов и его коллеги из Физико-технологического института РАН и японского университета Тохоку нашли способ реализовать эту задачу, используя туннельный эффект – способность электронов просачиваться через энергетические барьеры благодаря квантовым эффектам. Как правило, для создания такого тока необходимы или экзотические сплавы, или вакуум внутри транзисторов, что сильно ограничивает применимость таких устройств на практике.
Российские и японские ученые выяснили, что подобный эффект можно достаточно легко создать в листе из графена, состоящего не из одного, а двух слоев углерода. В нем, как показали наблюдения физиков, возможно создать такие условия, при котором плотность электронов в определенных зонах будет стремиться к бесконечности, что будет заставлять их "просачиваться" через потенциальный барьер даже при приложении относительно слабого напряжения.
Благодаря этому, транзистор, придуманный Свинцовым и его коллегами, будет работать при напряжениях, равных 150 милливольт, что в десятки раз меньше рабочего напряжения для обычных кремниевых транзисторов. Даже при минимальном напряжении токи утечки будут минимальными – сила тока на выходе в "закрытом" и "открытом" состоянии будет различаться в рекордные 35 тысяч раз. Это в разы больше, чем удавалось добиться Гейму и Новоселову и другим группам физиков, пытавшихся создать графеновые транзисторы.
"Это означает, что транзистор требует меньше энергии для переключения, меньше энергии требуют микросхемы, меньше выделяется тепла, нужны менее мощные системы охлаждения, а тактовую частоту можно повысить, не опасаясь, что избыточное тепло разрушит микросхему", — говорит Свинцов.
Разработанная авторами статьи конструкция транзистора уникальна еще по одной причине: для ее создания не требуется химического легирования графена, покрытия его другими веществами, которое заметно повышает стоимость производства микроэлектроники. Это, как надеются физики, ускорит появление первых экспериментальных и промышленных графеновых устройств на базе подобных транзисторов.