Наноэлектронная элементная база информатики на основе графена

Полевые транзисторы на основе узких полосок графена

Для реализации логических схем начали строить полевые транзисторы с использованием не сплошных пленок, а узких полосок графена ( рис. 7.10).

Рис. 7.10. Слева – структура полевого транзистора с каналом из полоски графена. Справа – изображение поверхности нанотранзистора (ширина полоски графена около 10 нм) в РЭМ

Это связано с квантовым размерным эффектом. Когда ширина полоски графена становится меньше 10-30 нм (в зависимости от кристаллографического направления, в котором "вырезана" полоска, – см. рис. 7.10 слева), она превращается в "квантовую линию", и благодаря квантованию в графене появляется запрещенная зона энергий. Как и в случае УНТ, эта запрещенная зона расширяется с уменьшением ширины полоски графена. А с появлением в энергетическом спектре запрещенной зоны полевой транзистор можно значительно лучше "закрывать". Соотношение тока сквозь транзистор в открытом и в закрытом состояниях возрастает до 10⁴ и даже до 10⁷ раз.

Справа на рис. 7.10 показана микрофотография в растровом электронном микроскопе одного из экспериментальных образцов такого транзистора.

Несколько типичных зависимостей тока сквозь транзистор от напряжения на затворе при разных значениях напряжения между истоком и стоком показаны на рис. 7.11. Вертикальная шкала здесь логарифмическая, хотя значения электрического тока сквозь транзистор указаны в единицах ампера.

Рис. 7.11. Типичные передаточные характеристики полевого транзистора на основе полоски графена шириной 5 нм

На таких транзисторах могут быть построены очень быстрые логические схемы с малым потреблением энергии.

Как и в случае УНТ, используя для формирования затворов металлы с разной работой выхода, можно построить комплементарные логические схемы – аналоги известной КМДП логики на кремнии.

На рис. 7.12 в качестве примера показаны принципиальные электрические схемы двух основных логических элементов – "отрицание конъюнкции" ("2И-НЕ", слева) и "отрицание дизъюнкции" ("2ИЛИ-НЕ", справа). В этих схемах затворы одних транзисторов выполнены из палладия, других – из алюминия. Первые транзисторы функционируют аналогично -канальным, а вторые – аналогично -канальным в КМДП схемах.

В схеме, показанной слева, потенциал на выходе становится отрицательным, близким к , лишь тогда, когда на оба входа ( и ) подается положительный потенциал, при котором оба транзистора T1 и T2 закрыты, а оба транзистора T3 и T4 – открыты. А в схеме, показанной справа, становится отрицательным, близким к , всегда, когда хотя бы на один из входов ( или ) подается положительный потенциал, при котором один или оба транзистора T1 и T2 закрыты, а один или оба транзистора T3 и T4 – открыты.

Работа наноразмерных полевых транзисторов на графене (как и на УНТ) описывается полностью законами квантовой механики. Поэтому для их расчета и оптимизации структуры, формы и размеров приходится применять квантово-механические модели, разработка которых сейчас интенсивно ведется. Нет сомнения, что уже в ближайшее время будут созданы пакеты компьютерных программ для расчета таких активных элементов и интегральных схем на их основе.

Рис. 7.12.

Как и УНТ, узкие полоски графена можно считать большими молекулами. Поэтому построенную на графене наноэлектронную элементную базу мы и отнесли в раздел "Молекулярная элементная база информатики".

Сенсоры на основе графена

Если затвор полевого транзистора на графене сделать прозрачным, то при напряжении на затворе U_З = U_ЗАКР можно наблюдать довольно быстрый отклик на освещение транзистора. Время реакции составляет порядка 10 пс, т.е. в закрытом состоянии полевой транзистор на графене можно использовать как быстродействующий фотодетектор.

Очень высокая подвижность носителей электрического заряда в графене и незначительное количество собственных дефектов его решетки обусловили то, что электрическое сопротивление пленки графена очень чувствительно к воздействию ряда внешних факторов. Уже отдельные молекулы некоторых химических веществ, попадая на эту пленку, приводят к заметному изменению ее электрического сопротивления. Особенно существенные изменения вызывают молекулы, способные выступать в роли доноров или акцепторов электронов. На этом принципе уже построены экспериментальные образцы чувствительных газовых сенсоров. Структура простейшего такого сенсора показана на рис. 7.13.

Электроды Эл1 и Эл2 подключают к чувствительному микроэлектронному омметру. Пленку графена приводят в контакт с контролируемой газовой средой. Когда молекулы газа (Аналиты) попадают на графен, они становятся центрами рассеивания электронов или дырок проводимости, и электрическое сопротивление сенсора заметно возрастает.

Рис. 7.13. Структура простейшего химического сенсора на графене: Эл1 и Эл2 – электроды

Для молекул был обнаружен противоположный эффект – при их адсорбции электрическое сопротивление уменьшалось. Теоретические расчеты показали, что эта молекула, адсорбированная на графене, становится акцептором электронов, благодаря чему в пленке графена повышается концентрация дырок. На пленке графена размером 1 мкм х 1 мкм удавалось фиксировать присоединение даже отдельных молекул диоксида азота.

Высокая чувствительность пленок графена как химического сенсора не сопровождается, к сожалению, достаточной избирательностью. На присоединение многих разных молекул графен "откликается" одинаково. И для обеспечения избирательности, селективности пришлось искать обходные пути. Они были описаны в "Принципы квантовых вычислений" и состоят в "функционализации" пленки графена, т.е. в нанесении на нее молекул лиганда, избирательно чувствительных к заданному аналиту.

Если на сенсор, изображенный на рис. 7.13, нанести микроскопическую каплю электролита, контактирующего с электродом сравнения, то получим электролитический полевой транзистор, показанный на рис. 7.14.

Рис. 7.14. Структура электролитического сенсора на графене

Один из электродов Эл1 или Эл2 включают в качестве истока, другой – в качестве стока. Электрический ток сквозь транзистор становится зависящим как от потенциала на электроде сравнения, так и от характеристик электролита. Каждый из этих параметров можно измерять, фиксируя значение других.

Как и в случае кремниевых химически чувствительных полевых транзисторов, полевому транзистору на графене можно придать селективность, используя аналит-чувствительную мембрану.

Структура химически чувствительного полевого транзистора (ХЧПТ) на графене показана на рис. 7.15. Здесь на пленку графена наносят аналит-чувствительную мембрану, которая и определяет избирательную чувствительность транзистора к определенным химическим веществам. Транзистор со всех сторон, кроме аналит-чувствительной мембраны, защищают изолирующим компаундом. При измерениях аналит-чувствительную мембрану приводят в контакт с контролируемым раствором так, чтобы он контактировал также и с электродом сравнения.

Рис. 7.15. Структура химически-чувствительного полевого транзистора на графене

Если в качестве аналит-чувствительной мембраны нанести тонкий слой нитрида кремния (), то такой транзистор становится -селективным. Использование боросиликатного стекла с соответствующими примесями делает полевой транзистор натрий-, калий- или кальций- селективным.

Отметим, что размеры такого транзистора могут быть меньше 1 мкм. Его можно разместить на кончике ультратонкой иглы и с ее помощью вводить, например, вглубь живой клетки, получая возможность следить за изменениями состава внутриклеточной жидкости.

Еще один пример применения такого транзистора для контроля скорости протекания жидкости сквозь микропроточные каналы размерами порядка нескольких микрометров показан на рис. 7.16. Наноразмерный ХЧПТ на графене интегрирован здесь в микропроточную систему, сформированную в пластине из полимера (слева). В микропроточный канал (МПК) встроен серебряный электрод сравнения (ЭлС). В одном месте МПК проходит над пленкой графена, на концах которой сформированы золотые электроды истока и стока. Электрический ток сквозь образованный ХЧПТ зависит от скорости протекания и от ионного состава жидкости, которая течет сквозь микропроточный канал. Справа показан график зависимости тока ХЧТП от времени при протекании раствора хлорида натрия в воде с разными скоростями (23,1 мм/с; 46,2 мм/с; 69,3 мм/с; 92,5 мм/с и 138,6 мм/с соответственно).

Рис. 7.16. Слева – структура ХЧПТ на графене для измерения скорости протекания жидкости сквозь микропроточный канал; справа – график зависимости тока сквозь ХЧПТ от времени и скорости протекания: ЭлС – электрод сравнения; МПК – микропроточный канал

Ток ХЧТП оказался зависимым также и от ионной силы раствора, который протекает сквозь микропроточный канал. И поэтому описанный ХЧТП на графене при постоянной скорости протекания может быть использован также для контроля ионной силы раствора. Для разработки разнообразных "лабораторий на чипе" это – очень интересное наноэлектронное устройство.

Покрыв пленку графена тонким слоем коллоидальных квантовых точек, удалось достичь рекордной светочувствительности порядка 10⁷ А/Вт с квантовым выходом порядка 10⁸ электронов/фотон. Подбирая материал и размеры квантовых точек, можно регулировать спектральную полосу чувствительности такого фотодетектора, в т.ч. и в инфракрасном диапазоне, что потенциально позволяет создать новые высокоэффективные приборы ночного видения.

Простые сенсоры типа изображенного на рис. 7.13 могут изменять свое электрическое сопротивление не только в случае присоединения молекул, но и под действием локального электрического или магнитного поля или при локальной механической деформации. Если разместить такой наносенсор на острие зонда растрового микроскопа, то с его помощью можно "увидеть" местоположение связанных электрических зарядов, зерен феромагнетика и т.п.

В "Принципы квантовых вычислений" мы описали чувствительные нановесы на углеродных нанотрубках. Такое же применение могут найти и упругие пленки графена. Продолжительное время считалось, что свободная пленка графена не является стабильной и сама по себе должна сморщиваться в гармошку или скручиваться. Но такой вывод вытекал из предположения, что пленка графена идеально плоская. Оказалось, что свободная пленка графена приобретает стабильность именно за счет отклонения ее формы от идеально плоской. Реальный рельеф графеновой мембраны показан на рис. 7.17. Глубина рельефа совсем невелика – меньше 1 нм, размер выступов и впадин в плоскости пленки – порядка 10 нм.

Рис. 7.17. Структура графеновой мембраны

Если графеновую мембрану натянуть на рамку, то в ней могут возбуждаться упругие колебания. Функциональная схема суперчувствительных весов на графеновой мембране показана на рис. 7.18.

Рис. 7.18. Функциональная схема суперчувствительных весов на графене: 1 – кремний; 2 – глубокая выемка; ГМ – графеновая мембрана; Эл1, Эл2 и Эл3 – металлические электроды; 3 – источник переменного напряжения; Ан – аналит; У – усилитель; ИЧ – измеритель частоты

В пластине кремния 1 вытравлена глубокая выемка 2, на дне которой сформирован металлический электрод Эл3. Над выемкой 2 проложена графеновая мембрана ГМ, над концами которой сформированы металлические электроды Эл1 и Эл2. На электрод Эл1 подается небольшое постоянное напряжение , а на электрод Эл3 – переменное напряжение с частотой собственных колебаний графеновой мембраны. Направление ее колебаний условно изображено стрелками. Деформация мембраны во время колебаний приводит к изменениям ее электрического сопротивления и модулирует ток, который течет сквозь нее. Ток этот усиливается усилителем (У), а измеритель частоты (ИЧ) выдает в компьютер значения частоты колебаний. Если на графеновую мембрану положить частицу аналита (Ан), массу которой надо определить, то частота собственных колебаний графеновой мембраны изменится. По измеренному изменению частоты компьютер вычисляет массу соответствующей частицы аналита.

Чувствительность таких нановесов может достигать величин, сопоставимых с массой отдельных атомов.