Графен открывает дверь в новую область — квантовую тератронику
Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) обнаружили, что протекание тока в приборах на двухслойном графене происходит благодаря квантовому эффекту межзонного туннелирования. Открытие может стать основой для создания электронных приборов нового типа — энергоэффективных переключателей, химических и биологических сенсоров, а также детекторов излучения.
Рисунок 1. а) Схематическое изображение p-n-перехода в двухслойном графене, созданного путем подачи напряжений противоположной полярности на затвор. Красная линия THz сверху символизирует сверхвысокочастотный сигнал, находящийся между левым и правым контактом при освещении прибора извне. б) Иллюстрация механизма температурной зависимости туннельного сопротивления: нагрев излучением выталкивает электроны с энергетического уровня, на котором возможно туннелирование, и это приводит к росту сопротивления. c) Микрофотографии изготовленного устройства: канал с расщепленным затвором и антенной-бабочкой.
Базовым блоком всей современной полупроводниковой электроники является p-n-переход. С точки зрения химической технологии, это контакт двух областей в полупроводнике с примесями разной валентности, подобный границе раздела белого и темного шоколада в торте. С точки зрения механики носителей тока (электронов), p-n-переход является ступенькой. Говоря более строго — энергетическим барьером. Этот барьер обусловлен, однако, не преодолением силы тяжести, а преодолением противодействия со стороны внутреннего электрического поля в p-n-переходе. «Химическое» и «механическое» представления глубоко связаны друг с другом, и оказывается, что разная валентность примесей по двум сторонам полупроводника обязана создавать энергетический барьер.
Наличие ступенчатого барьера для электронов в p-n-переходе определяет его главную функцию в электронике: этот переход является «односторонним проводником», ток в нем может течь лишь при одной полярности поданного напряжения. Напряжение открывающей полярности снижает высоту ступеньки для электронов, и они могут легко перепрыгнуть через нее благодаря случайному тепловому движению. В середине ХХ века стало ясно, что комбинирование двух p-n-переходов позволяет создать транзистор — базовый элемент для обработки логических нулей и единиц в цифровых схемах, а комбинация нескольких транзисторов позволяет реализовать всю двоичную логику на чипе.
Для некоторых электронных приложений обычных p-n-переходов оказалось недостаточно. Уже в 60-е годы XX века было обнаружено, что p-n-переходы могут проводить ток не благодаря прыжкам высокоэнергетических электронов над ступенькой, а благодаря квантовому эффекту туннелирования — просачивания электронов сквозь ступеньку. Подобным приборам — туннельным диодам — тут же нашлось применение. Они оказались способны генерировать радиоволны при приложении постоянного напряжения. Также их ток оказался очень чувствителен к малым изменениям электрического напряжения, что привело к их приложениям в электронике низкого энергопотребления.
Другим важным направлением в электронике является повышение скорости срабатывания электронных приборов. Это важно, прежде всего, для увеличения скорости обработки информации. И тут не обойтись без новых материалов, где электроны на своем пути не встречают препятствий, говоря более строго — материалов с высокой электронной подвижностью. Таким оказался графен — монослой углерода, его двухслойный аналог, — а также некоторые халькогениды переходных металлов, например дисульфид вольфрама и селенид индия.
Путь развития электроники на двумерных материалах оказался сильно отличающимся от пути электроники на кремнии. P-n-переход в двумерных материалах научились делать практически с момента открытия графена и его модификаций. Для этого не оказалось даже нужным добавление примесей разной валентности — достаточно подать напряжение разной полярности на управляющие электроды — затворы — над двумя сторонами перехода (рис. 1 a). А вот механизм протекания тока в p-n-переходах на основе двухслойного графена долгое время оставался непонятым. Из выполненных до недавнего времени измерений было неясно, протекает ли ток в этих переходах благодаря прыжкам через ступеньку или благодаря квантовому просачиванию сквозь нее. На языке дорожных аналогий, оставалось неясным, является ли p-n-переход в графене надземным или подземным.
Ученые из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ смогли дать ответ на этот вопрос. По результатам комбинированных измерений зависимости сопротивления от температуры и фотопроводимости был сделан вывод о доминирующем квантовом туннельном типе проводимости. Прежде всего, этот выбор был сделан после наблюдения аномального изменения сопротивления прибора с изменением температуры: нагрев p-n-перехода приводил к увеличению сопротивления, хотя на классические прыжки электрона через барьер температура должна оказывать позитивное влияние. При квантовом туннельном характере тока ситуация меняется — подобный процесс возможен только при достаточно точном совпадении уровней энергии электрона слева и справа от перехода. Нагрев, в свою очередь, увеличивает энергию электрона и выталкивает его с разрешенного уровня (рис. 1 b). При этом безразлично, чем вызваны изменения температуры — общим нагревом окружения или поглощением внешнего излучения: сопротивление обязано увеличиться.
Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, рассказывает:
Авторы работы исследовали зависимость сопротивления p-n-переходов от внешнего освещения сверхвысокочастотным излучением с частотой около 100 ГГц. Эти измерения оказались важны не только для понимания фундаментального механизма протекания тока. Оказалось, что сопротивление p-n-перехода на двухслойном графене очень чувствительно к наличию излучения, и подобный переход уже является прекрасным сенсором электромагнитных волн. Чувствительность этого сенсора оказывается конкурентной с аналогами — полупроводниковыми болометрами. Авторы работы видят дальнейшую возможность для увеличения чувствительности при подаче больших управляющих напряжений на затворы.
Дмитрий Мыльников, научный сотрудник лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, добавляет:
Авторы работы полагают, что приложения обнаруженного ими эффекта не ограничены детектированием сверхвысокочастотного излучения. Эффект также важен для достижения выраженного закрытого состояния в транзисторах на основе двухслойного графена, а значит — и для продвижения этого материала в цифровую электронику. Туннельный эффект в двухслойном графене позволит также чувствовать не только излучения, но и следовые количества химических и биологических соединений, т. е. выступать в роли чувствительного химического и биологического сенсора.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 21-79-20225) и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № ФСМГ-2021-0005). Результаты исследования опубликованы в ведущем международном научном журнале.
Графен, возможно будущая замена кремния https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B5%D0%BD