Новая физика, новые материалы

Нобелевские лауреаты создали прообраз графенового транзистора

Кристаллическая решетка графена и конусы Дирака
Кристаллическая решетка графена и конусы Дирака
Фото: UoM

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

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.

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…

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»)».

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.

Обсудить
Девочка не промах
История 16-летней немки, сбежавшей от семейных проблем в ИГ и ставшей снайпером
A protester reacts in front Moroccan police forces during a demonstration in the northern town of El Hoceima, Morocco, Thursday, July 20, 2017. Clashes between police and Moroccan protesters Thursday left at least 83 injured in clouds of tear gas and running battles at an unauthorized demonstration over inequality and corruption.Налетели на Риф
Пережив «арабскую весну», марокканская монархия вновь оказалась под ударом
Тимофей Бордачев: Им стыд, нам позор
России пора коренным образом изменить структуру отношений с Западом
Former Utah Gov. Jon Huntsman walks on a platform Tuesday, June 21, 2011, at Liberty State Park in Jersey City, N.J., after announcing his bid for the Republican presidential nomination, (AP Photo/Mel Evans)Многодетный мормон в Спасо-хаусе
Почему Трамп хочет назначить послом в России китаиста без знания русского языка
Президент Польши Анджей Дуда с супругойСудный день
Из-за планов судебной реформы поляки перессорились между собой и с Брюсселем
Схематичное изображение вращающейся черной дыры (черный цвет), бозонной оболочки (красный) и гравитационных волн (синий)Кудрявый сценарий
Раскрыт механизм усыхания черных дыр
Темник фюрера
Кровожадных нацистов испугал безбашенный инвалид: превью Wolfenstein II
Сверкая пятками
Как побег англичан от нацистов превратился в народный подвиг
Холодная она
Кино недели с Денисом Рузаевым: от «Взрывной блондинки» до «Рокового искушения»
На поклон
Николай II глазами кино — пока без «Матильды»
И тропинка, и лесок, в поле каждый колосок
Лучшие снимки финалистов фотоконкурса «Точка на карте. Память места»
Воровать — так миллион
Длительный тест Ford Kuga: выводы, конкуренты и стоимость владения
Битва трех респектабельных седанов на солярке
BMW 5 серии против Mercedes-Benz E-класса и Jaguar XF
Как стать миллионером
Какую машину надо купить сейчас, запереть в гараже и обогатиться. Через несколько лет
Между нами все кончено!
Как и почему дизель из самого перспективного вида топлива превращается в изгоя
«Я ничего не делаю, и мне это нравится»
Откровения москвички, которая сдает жилье и принципиально не работает
Зарыться в песок
Купить квартиру на море теперь можно за миллион рублей и дешевле
Входят и выходят
Самые известные, необычные и дорогие бордели мира
У вас упало
Что на самом деле происходит с ценами на квартиры в Москве