Наноэлектронная элементная база информатики на основе графена

Основные положения лекции 8

Интересной, ранее неизвестной, формой существования углерода оказался графен – однослойная пленка из атомов углерода в состоянии sр²-гибридизации, которую можно рассматривать также как отделенный слой графита. Пленки графена, толщиной приблизительно 0,5 нм, являются удивительно прочными и упругими (предел прочности – 130 ГПа, модуль Юнга – порядка 1 ТПа), имеют высокую теплопроводность – порядка . В сочетании с высокой электропроводностью это делает возможным пропускание сквозь графен электрического тока в миллион раз больше, чем максимально возможный ток сквозь пленку меди. Графен почти не поглощает видимый свет, коэффициент его пропускания превышает 97%.

Валентная зона и зона проводимости в графене соприкасаются. Поэтому, графен, как и графит, является полуметаллом. При комнатных температурах концентрация носителей заряда в точках Дирака (точках соприкосновения указанных зон) составляет приблизительно . В окрестности этих точек соприкосновения зависимость между энергией и волновым вектором электрона является линейной, как у фотонов. Этим обусловлены очень высокая подвижность носителей электрического заряда в графене и "баллистический" характер их движения вдоль пленки. Длина свободного пробега электронов проводимости и дырок в графене при комнатных температурах превышает 1 мкм.

Из-за отсутствия в графене запрещенной энергетической зоны полевой транзистор на сплошной пленке графена при комнатных температурах не удается полностью закрывать. Реализованы полевые транзисторы с предельной частотой 230 ГГц при длине канала порядка 200 нм, и на основе таких транзисторов созданы ультраширокополосные (порядка 100 ГГц) радиоусилители с очень низким уровнем собственного шума и относительно малым потреблением электроэнергии.

Для реализации логических схем формируют полевые транзисторы с использованием полосок графена шириной меньше 10-30 нм, при которой они превращаются в "квантовые линии". Благодаря квантованию в графене появляется запрещенная зона энергий, которая расширяется с уменьшением ширины полоски. Соотношение тока через транзистор в открытом и в закрытом состояниях возрастает до 10⁴ и даже до 10⁷ раз. 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, строят комплементарные логические схемы – аналоги известной КМОП логики на кремнии.

Если затвор полевого транзистора на графене сделать прозрачным, то транзистор можно использовать как быстродействующий фотодетектор со временем реакции порядка 10 пс.

На основе графена можно формировать также химически чувствительные полевые транзисторы и нановесы с чувствительностью порядка массы отдельных атомов.

Основной проблемой внедрения транзисторов на графене и интегральных схем из них в промышленное производство является разработка и освоение соответствующих промышленных технологий. Наиболее пригодным для промышленного производства пленок графена считают метод химического осаждения из газовой фазы. Таким методом на высококачественной подложке из медной фольги уже удалось вырастить рекордные по размерам пленки графена примерно прямоугольной формы с длиной диагонали до 75 см.

Для получения нанополосок графена, перспективных для изготовления полевых транзисторов, используют также УНТ. После "вскрытия" их вдоль образующей физическими или химическими методами образуются нанополоски графена заранее заданной длины и ширины.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Что собой представляет графен? Почему его долго не могли увидеть? Расскажите о его структуре.
2. Какие физические свойства графена Вы знаете?
3. Почему графен считают полуметаллом?
4. Как устроен полевой транзистор на графене?
5. Почему полевой транзистор на сплошной пленке графена не удается полностью закрыть? Объясните это с помощью энергетической диаграммы.
6. Какие преимущества имеет полевой транзистор на графене перед полевыми транзисторами на полупроводниках?
7. Почему при построении логических схем преимущество отдается полевым транзисторам на узких полосках графена? Изобразите структуру такого транзистора. Какие параметры транзистора зависят от ширины полоски графена?
8. Можно ли построить комплементарные логические схемы на графеновых полевых транзисторах? Начертите эскиз электрической схемы одного из таких логических элементов и объясните его функционирование.
9. Можно ли полевой транзистор на графене использовать как фотодетектор? Как именно?
10. Как устроен электрохимический полевой транзистор на графене? Изобразите его структуру и объясните принцип действия.
11. Как сделать полевой транзистор на графене избирательно чувствительным к заданному аналиту?
12. Как устроены сверхчувствительные весы на графене?
13. Какие способы лабораторного получения пленок графена Вы знаете?
14. На чем основано выращивание пленок графена методом термического разложения? Опишите механизм.
15. Какой из методов выращивания пленок графена наиболее пригоден для промышленного их изготовления? Опишите его.
16. На чем основано получение нанополосок графена из углеродных нанотрубок?
17. Что такое "двумерные кристаллы"? Назовите примеры. Имеются ли перспективы их применения в наноэлектронике?