Двумерный германий — материал будущего

Материал, из которого были сделаны первые транзисторы более полувека назад, по мнению некоторых исследователей, может быть модифицирован так, что заменит кремний в будущих поколениях высокопроизводительных микроэлектронных устройств.

«Многие видят графен в качестве электронного материала будущего, — говорит Джошуа Голдбергер (Joshua Goldberger), адъюнкт-профессор Университета штата Огайо (Ohio State). — Но кремний и германий все еще являются материалами настоящего. В методы получения из них микросхем вложены 60 лет научной мысли. Мы занимаемся поиском уникальных форм кремния и германия с перспективными свойствами, позволяющими использовать преимущества новых материалов с меньшими затратами и на базе имеющихся технологий».

В статье, опубликованной в онлайновом номере ACS Nano, Голдбергер и его коллеги описывают созданный ими стабильный одиночный слой атомов германия. Этот двумерный кристаллический материал получил название германан.

В природе германий склонен к образованию многослойных кристаллов, а отдельные атомарные слои в обычном состоянии нестабильны. Чтобы решить эту проблему команда Голдбергера вырастила кристаллы германия с атомами кальция, вклиненными между слоями. Затем, кальций растворяли в воде, а освободившаяся химическая связь заполнялась водородом. Это позволило разделить слои и выделить германан.

«Усиленный» атомами водорода германан оказался даже более химически устойчив, чем традиционный кремний: в отличие от последнего он не окисляется на воздухе. Кроме того, он проводит электроны более чем в 10 раз быстрее, чем кремний и в 5 раз быстрее, чем обычный германий.

Достоинством германана, делающим его особенно перспективным для оптоэлектроники, является «прямая запрещенная зона», позволяющая электрону непосредственно излучать фотон. Обычные кремний и германий обладают «непрямыми запрещенными зонами», электрону в них требуется переходить в промежуточную фазу, отдавая свой импульс кристаллической решетке (фонону), что затрудняет поглощение и излучение фотонов.

Поэтому, материал с «прямой зоной», может с успехом заменить кремний, например, в солнечных элементах, которые получатся в 100 раз тоньше при тех же рабочих характеристиках.

В дальнейших исследованиях ученые намерены установить, как на свойства германана влияет изменение конфигурации атомов в его единственном слое.