Pierwszy tunelowy tranzystor polowy oparty na grafenie

Fizycy z Wielkiej Brytanii znaleźli sposób na pokonanie głównej bariery uniemożliwiającej wykorzystanie grafenu w urządzeniach elektronicznych, związanej bezpośrednio z procesem upływności ładunku.

Grafen to jedna z alotropowych odmian węgla odkryta w 2004 roku, składająca się z pojedynczej warstwy atomów tego pierwiastka. Grafen posiada wiele unikalnych mechanicznych i elektrycznych właściwości, dzięki którym – przynajmniej w teorii – może znaleźć zastosowanie w produkcji nowoczesnych, energooszczędnych urządzeń elektronicznych. Jednak zanim takie urządzenia staną się w ogóle możliwe do zrealizowania, koniecznym wydaje się przezwyciężenie wielu przeszkód. Jedną z nich jest bardzo duża przewodność elektryczna grafenu: wszelkie urządzenia oparte na grafenie mają tendencję do przewodzenia prądu nawet wtedy, gdy są wyłączone. Wiąże się to oczywiście nie tylko ze stratami energii elektrycznej, ale także ze znaczącym ograniczeniem funkcjonalności takich urządzeń, związanej z brakiem możliwości umieszczenia ich w układach scalonych, ze względu na wysokie ryzyko stopienia innych podzespołów elektronicznych.

Pomimo że grafen podobnie jak arsenek galu (GaAs), czy tellurek kadmu (CdTe) należy do rodziny materiałów półprzewodnikowych, to w przeciwieństwie do nich nie posiada przerwy energetycznej (obszaru energii wzbronionych dla elektronów), której obecność pozwala sterować przepływem elektronów. Aby „wymusić” powstanie przerwy energetycznej w grafenie próbowano stosować m.in. nanometrowe wstążki lub kropki kwantowe albo poddawać grafen chemicznym modyfikacjom. Mimo że wspomniane wyżej metody, w ogólności, spełniały swoją rolę, niszczyły jednak strukturę grafenu, wpływając na obniżenie ruchliwości lub zanik transportu balistycznego elektronów (transport elektronów odbywający się bez ich rozpraszania).

Grafenowy tranzystor

Leonid Ponomarenko wraz ze współpracownikami z University of Manchester podjęli krok w kierunku przezwyciężenia tego problemu poprzez skonstruowanie nowego rodzaju tranzystora grafenowego zawierającego warstwy azotku boru lub dwusiarczku molibdenu, umieszczane pomiędzy warstwami grafenu. Uczestnikami tego przedsięwzięcia byli także dwaj laureaci nagrody Nobla z fizyki z 2010 roku – Andre Geim i Konstantin Novoselov, którzy jako pierwsi na świecie wyizolowali grafen i opisali jego niezwykłe właściwości.

Warstwy materiału izolującego umieszczane pomiędzy warstwami grafenu spełniają rolę pionowych barier tunelowych, których głównym zadaniem jest znaczące ograniczenie ucieczki nośników przez taką strukturę. Urządzenie skonstruowane przez angielskich naukowców, nazwane przez nich pionowym tunelowym tranzystorem polowym (ang. vertical field-effect tunnelling transistor), jest pierwszym tego typu urządzeniem wykonanym z grafenu, w którym możemy sterować przepływem elektronów. Tranzystor ten składa się z dwóch warstw grafenu rozdzielonych cienką warstwą materiału izolującego, takiego jak azotek boru (BN) lub dwusiarczek molibdenu (MoS₂) spełniającą rolę bariery energetycznej przeciwdziałającej tunelowaniu elektronów pomiędzy warstwami grafenu. Zaletą tego rodzaju struktury jest możliwość kontrolowania prądu tunelowego, płynącego w kierunku prostopadłym do warstwy izolującej. Wspomniana kontrola prądu tunelowego odbywa się przy użyciu zewnętrznego pola elektrycznego. „Prawdopodobieństwo tunelowania przez barierę elektronów indukowanych w grafenie za pomocą pola elektrycznego, znacząco wzrasta. Dodatkowo, liczba takich elektronów ulega zwiększeniu wraz ze wzrostem natężenia pola”, wyjaśnił Ponomarenko.

Bariera tunelowa – istotny element tranzystora tunelowego

Chociaż każdy materiał izolujący może być traktowany jako bariera tunelowa dla nośników ładunku, niezwykle ważnym jest, aby jego grubość była dostatecznie mała (rzędu średnicy kilku atomów), ponieważ tylko w takim przypadku prąd tunelowy przepływający przez taką warstwę będzie mógł zostać zarejestrowany. Materiały takie jak BN i MoS₂, ze względu na łatwość pozyskiwania bardzo cienkich warstw tychże materiałów, dobrze spełniają swoją rolę w w/w zakresie.

„Model urządzenia, które zademonstrowaliśmy jest niezwykle ważny, jednak moim zdaniem o wiele ważniejszy jest sam pomysł związany z odpowiednim doborem i ułożeniem warstw materiałów w naszym urządzeniu”, powiedział Geim. Zdaniem Novoselowa „tunelowy tranzystor polowy to tylko jeden z wielu przykładów struktur warstwowych, których z całą pewnością będzie powstawać coraz większa ilość”.

Obecnie grupa badawcza z Manchesteru planuje sprawdzić czy warstwy grafenu mogą być łączone z innymi dwuwymiarowymi materiałami. „Chcemy się dowiedzieć, jak skonstruowany przez nas tranzystor będzie się zachowywać, gdy jego poprzeczny rozmiar będzie zredukowany do rozmiarów nanometrowych oraz z jaką najwyższą częstotliwością będzie mógł pracować”, powiedział Ponomarenko.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com