Для смены проводимости графена использовали оксид

Графен, решетка из углеродных атомов толщиной в 1 атом, часто преподносится как революционный материал, который займет место кремния в электронике.

Непревзойденная скорость, с которой по графену перемещаются электроны, плюс двумерная форма делают его привлекательной альтернативой, однако несколько преград к применению графена остаются.

Группа ученых из Пенсильванского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн совершила некоторые шаги на пути решения этой проблемы. Продемонстрировав новый метод изменения количества электронов в пределах определенной части графена, ученые провели контрольную проверку создания фундаментальных составляющих блоков полупроводниковых устройств с использованием двумерного материала.

Также их метод позволяет настраивать указанное значение с помощью электрического поля, подразумевая, что элементы графеновой схемы, сделанные таким способом, могут динамически изменять соединения без физического изменения устройства.

Результаты исследования опубликованы в издании Nature Communications.

Кремний используется для создания элементов микросхем, поскольку его зарядную плотность, то есть количество электронов, которое он содержит, можно легко увеличить или уменьшить за счет добавления химических примесей. Этот процесс легирования приводит к появлению проводников p-типа и n-типа, кремний в которых содержит больше положительных или отрицательных носителей зарядов.

Соединения между полупроводниками обоих типов являются стандартными блоками электронных устройств. Соединенные последовательно, это p-n соединения формируют транзисторы, которые, в свою очередь, могут объединяться в интегральные схемы, микрочипы и процессоры.

Химическое легирование графена для получения обеих версий материала возможно, но вызывает необходимость пожертвовать некоторыми из его уникальных электрических свойств. Подобный эффект возможен за счет применения локальных изменений напряжения к материалу, однако производство и размещение необходимых электродов нейтрализует преимущества, которые обеспечивает форм-фактор графена.

«Мы придумали неразрушающий обратимый путь легирования», отметил исследователь Эндрю Раппе. „Этот способ не вовлекает каких-либо физических изменений графена“.

Технология ученых включает осаждение слоя графена так, что он лежит (без соединения) на другом материале — ниобате лития. Ниобат лития — ферроэлектрик, что означает его полярность, а также то, что его поверхности обладают либо положительным, либо отрицательным зарядом. Применение импульса электрического поля может изменить знак зарядов на поверхности.

«Эта ситуация нестабильна: положительно заряженная поверхность будет стремиться накопить отрицательный заряд, и наоборот», сказал Раппе. „Чтобы разрешить этот дисбаланс, необходимо ввести в систему другие ионы или заставить оксид терять или привлечь электроны, чтобы уравновесить заряды. Однако мы пошли третьим путем“.

«Итак, у нас есть графен, который свободно лежит на поверхности оксида. И если поверхность оксида пожелает иметь больше отрицательных зарядов, то вместо того, чтобы аккумулировать ионы из окружающей среды, ей на помощь придет графен, который будет удерживать наготове произвольное количество необходимых электронов», описал действие системы ученый.

Раппе предложил использовать именно ниобат лития, поскольку он уже применяется в оптическом инжиниринге и обладает свойствами для создания p-n-соединений. Исследователи использовали тот факт, что ниобат лития производится с полосами полярных областей, чередующимися между положительным и отрицательным значениями.

«А раз области ниобата лития могут устанавливать свойства, разные области графена могут принимать различный характер на основе природы нижней области. Так становится доступным простое средство создания p-n-соединений на отдельной пластине графена. Подобное свойство должно облегчить прорывы в графене, которые могут оказаться аналогичными тому, что делают p-n-соединения и комплементарная схема для текущей полупроводниковой электроники», заключил исследователь.

27.01.2015