Двухслойный графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная двумя близко расположенными слоямиграфена. Так как они расположены на расстоянии меньше 1 нм друг от друга, электроны из одного слоя графена могут туннелироватьв другой, что приводит к появлению нового закона дисперсии для носителей тока. Обычно рассматривают двуслойный графен, в котором второй слой повёрнут на 60 градусов относительно первого. Это приводит к тому, что подрешётки A в нижнем графене и подрешётка B в верхнем графене выровнены в вертикальном направлении. Эта конфигурация называется AB stacking и встречается в графите.
Транспортные свойства двухслойного графена были впервые исследованы в Манчестерском университете в лаборатории А. Гейма
Ученые из МФТИ разработали новый тип транзистора на основе двухслойного графена и доказали, что он обладает рекордно низким энергопотреблением по сравнению с существующими аналогами. Благодаря таким характеристикам транзистора, можно увеличить тактовую частоту процессоров на два порядка. Статья опубликована в журнале Scientific Reports. Двухслойный графен представляет собой это два листа графена, связанных между собой ван-дер-ваальсовыми связями. Энергетические зоны двухслойного графена, то есть разрешенные значения энергии электрона при данном значении импульса, имеют вид «мексиканской шляпы».
Оказывается, что плотность электронов, которые можно разместить вблизи краев «мексиканской шляпы» стремится к бесконечности — эта особенность называется сингулярностью ван Хова.
При приложении уже небольшого напряжения на затвор транзистора огромное число электронов с краев «мексиканской шляпы» одновременно начинают туннелировать. Это приводит к резкому изменению тока при приложении малого напряжения, а малость используемого напряжения приводит к рекордно низкому энергопотреблению.
Разработанная авторами статьи конструкция транзистора уникальна еще по одной причине. Для ее создания не требуется химического легирования графена — это сложная операция, предполагающая растворение небольших количеств одного полупроводника в другом. Она предназначена увеличить электропроводность. Двухслойный графен хорошо проводит ток сам по себе, более того, для изменения его проводимости не нужно внедрять инородные вещества, достаточно подать напряжение правильной полярности на так называемые «легирующие затворы».
При оптимальных условиях графеновый транзистор может менять силу тока в цепи в тридцать пять тысяч раз при колебании напряжения на затворе всего в 150 милливольт. «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», — пояснил ведущий автор исследования Дмитрий Свинцов.
Структура нового туннельного транзистора составляют два слоя графена, формы углерода, кристаллическая решетка которого имеет одноатомную толщину. Произведенные учеными расчеты математических моделей показывают, что новые транзисторы имеют высокую эффективность с точки зрения расходуемой энергии и могут обеспечить работу на тактовых частотах, превышающих тактовые частоты используемых в современных микропроцессорах транзисторов на один-два порядка величины.
“В данном случае речь идет даже не об экономии электроэнергии” – рассказывает Дмитрий Свинцов, ученый кафедры Общей физики МФТИ, – “Потребляя меньше энергии, электронные компоненты нагреваются меньше и они в состоянии работать на более высоких тактовых частотах. Не в один гигагерц, а на десяти или даже ста гигагерцах”.
Туннельные транзисторы, транзисторы, работающие за счет эффекта квантового туннелирования электронов, считаются одними из главных кандидатов на замену обычным транзисторам, которые работают за счет электронных барьеров, блокирующих прохождение электронов через канал транзистора. Основная проблема с обычными транзисторами заключается в том, что при попытках дальнейшего уменьшения их габаритных размеров эти барьеры получаются настолько узкими, что электроны без помех проходят сквозь них за счет другого явления – квантового туннелирования.
Туннельные транзисторы всегда работают только за счет явления туннелирования, а управление работой такого транзистора заключается в изменении вероятности того, что электрон успешно “перескочит” с одного электрода устройства на другой. Создавая новые транзисторы, ученые из МФТИ разработали специализированную математическую модель туннельного перехода, состоящего из двух слоев графена. Этот материал был выбран из-за того, что характеристики его валентной зоны и зоны проводимости имеют уникальную форму, коренным образом отличающуюся от формы этих характеристик всех полупроводниковых материалов.
Моделирование показало, что электроны, сгруппировавшиеся “на краях” характеристик графена, под воздействием небольшого электрического потенциала, приложенного к управляющему электроду транзистора, совершают “массовый” туннельный переход, вызывая резкое увеличение тока через транзистор. Именно это резкое увеличение при низком управляющем напряжении определяет высокое быстродействие и эффективность новых транзисторов.
“Следующим нашим шагом будет изготовление опытного образца полевого (FET) туннельного транзистора, измерение его основных параметров и сравнение экспериментальных данных с данными, полученными в результате расчетов математической модели” – рассказывает Дмитрий Свинцов в электронном письме к издательству IEEE Spectrum, – “С теоретической стороны данных исследований мы продолжим поиски других материалов, характеристики которых в области переноса электрических зарядов позволят нам реализовать еще более быстрое управление туннельным током через транзистор”.
Ученые из МФТИ уже владеют технологией выращивания двойного слоя графена на основании из нитрида бора и технологией создания 10-нм промежутков между металлическими электродами транзистора. Тем не менее, для изготовления первых опытных образцов новых транзисторов им придется решить ряд проблем технического плана. И еще большее количество проблем им надо будет решить прежде, чем такие транзисторы пойдут в массовое производство.
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
