Международный коллектив физиков, в число которых входят нобелевские лауреаты Андрей Гейм и Константин Новоселов, открыли новые свойства графена и создали на его основе прообраз транзистора. Результаты своих исследований ученые опубликовали в журналах Nature и Nature Physics. Последняя публикация вышла 11 сентября в авторитетнейшем научном издании Science. Редакция «Ленты.Ру» решила узнать подробности об этих открытиях и поговорила с одним из создателей нового материала, нобелевским лауреатом Андреем Геймом.
Основной особенностью чистого графена — двумерной модификации углерода — является отсутствие в нем запрещенной зоны, ширина которой равна нулю. Ее наличие у полупроводников, используемых в транзисторах, приводит к тому, что в них не существует непрерывного перехода между дырочной и электронной проводимостями, как в графене. Однако для создания полноценного транзистора — управления свойствами проводимости в нем — наличие такой зоны необходимо. Именно последние работы Гейма, Новоселова и их коллег позволили добиться этого.
Управление проводимостью
Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2010 году получил Нобелевскую премию по физике с формулировкой «За новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена». Лауреаты являются выпускниками Московского физико-технического института и некоторое время проработали в институтах Российской академии наук. В настоящее время они являются сотрудниками Манчестерского университета и проживают в Великобритании.
Ученые научились изменять ширину энергетической щели у графена. Для этого физики нанесли графен на слой «белого графита» — нитрида бора с графитоподобной гексагональной аллотропной модификацией. В такой кристаллической решетке ее узлы заключены в правильный многоугольник и напоминают решетку графена.
Такая комбинация позволяет посредством изменения взаимного положения кристаллических решеток менять ширину энергетической щели у графена. Это связано с тем, что подложка из нитрида бора вызывает деформацию графеновой решетки и в результате меняет ее проводящие свойства.
При угле наклона между направлениями решеток графена и нитрида бора менее одного градуса структура решетки нитрида бора почти идентична графеновой. При этом угол между атомами углерода в самой графеновой решетке увеличивается на 1,8 градуса, что приводит к возникновению энергетической щели. При углах наклона между направлениями решеток графена и нитрида бора более одного градуса энергетической щели не возникает.
Бабочка Хофштадтера (изображение 1976-го года); по горизонтали — энергия уровней электрона, а по вертикали — величина магнитного поля
Изображение: Douglas Hofstadter
Наложение двух кристаллический решеток позволило ученым в образованной гетероструктуре воспроизвести эффект муарового узора в виде бабочки Хофштадтера. Эта фрактальная структура описана в 1976 году сыном нобелевского лауреата Дугласом Хофштадтером. Она воспроизводит зависимость значений уровней энергии электрона от величины магнитного поля в двумерном кристалле.
Беги и создавай эти свои …транзисторы…
Энергетическая щель (запрещенная зона) — интервал энергий в кристалле, в котором не могут находиться электроны. Такая щель отвечает интервалу между валентной зоной и зоной проводимости в идеальном кристалле. В графене ширина этой щели равна нулю, но введением подложки из нитрида бора физикам удалось деформировать кристаллическую решетку графена и тем самым создать ненулевую энергетическую щель, которая позволяет менять свойства проводимости графена — в том числе и отключать ее.
На основе нового материала, в котором возможно управление направлением движения электронов, физики создали прообраз графеновых транзисторов, которые, вероятно, могут в скором будущем прийти на смену кремниевым. На практике это означает возможность отключения проводимости графена и создания на его основе аналогов современных полупроводниковых устройств. Транзисторы из графеновых сверхрешеток, как ожидается, должны потреблять меньше энергии, чем обычные.
Это происходит благодаря тому, что в новых транзисторах, в отличие от кремниевых, движение зарядов происходит в направлении, перпендикулярном электрическому полю, что приводит к небольшой диссипации (рассеиванию) энергии.
Транзисторы в электрических схемах предназначены для управления входящим электрическим сигналом. В случае с обычными полупроводниковыми транзисторами такое управление осуществляется изменением напряжения и силы тока, тогда как в устройствах с двумерными материалами управление осуществляется при помощи деформации кристаллической решетки графена.
Из Манчестера с любовью
Отвечая на вопрос «Ленты.Ру» о новом материале, Андрей Гейм заявил: «Это уже не совсем графен. Мы создаем новый тип кристаллов, комбинируя материалы толщиной в один атом. В своей публикации в Science мы описываем одну из таких комбинаций графена с нитритом бора («белого графита»)».
Андрей Гейм
Фото: wikipedia.org
Также ученый отметили аналогию между исследованиями в физике конденсированного состояния вещества и физикой элементарных частиц. «Это новая физика, новые материалы, новые типы электронных квазичастиц (по типу массивных нейтрино, но с зарядом, как у электрона)», — сообщил Гейм.
Нобелиат не стал предсказывать будущее такой электроники. Однако он ответил на вопрос о взаимодействии с российскими учеными в своей работе.
«Что касается сотрудничества, то я очень тесно работаю с исследователями из Черноголовки. Совсем недавно я начал работать и со Сколково тоже. И это — несмотря на мою предыдущую критику. Она появилась после того, как появились глупые призывы привлечь русскоязычных ученых-звезд с Запада», — отметил нобелевский лауреат.
«Россия нуждается в новом поколении собственных исследователей. Я обещал взять пару перспективных молодых ученых, которых выберут в Сколково, на два года стажировки в Манчестер. Они смогут учиться здесь "как ездить на велосипеде". Строгое условие для такой стажировки — возвращение ученых обратно в Сколково, чтобы использовать полученные навыки в России, а не за рубежом. Надеюсь, это поможет Сколково и России», — сообщил Гейм.