Графен становится бистабильным

30 октября 2013 г., 17:20

Физики из Манчестерского и Ноттингемского университетов (Соединенное Королевство) открыли резонансное туннелирование и сильную отрицательную дифференциальную проводимость в графеновых транзисторах. Это открытие может помочь изготовить высокоскоростные и бистабильные логические устройства из графена и других двумерных кристаллических структур.

Графен и другие 2D-кристаллы, такие как нитрид бора, металлические дихалькогениды и слоистые окислы, могут быть составлены вместе для образования нового класса гетероструктурированных материалов, которые могут быть использованы в широком классе устройств. С помощью тонкой регулировки состава стека исследователи могут создавать материалы с новыми электрическими и оптическими свойствами, намного лучшими, чем у существующих полупроводников.

Команда изготовила резонансный туннельный транзистор, в котором носители зарядов, электроны и дырки, туннелируются через барьер из нитрида бора толщиной 1 нм, расположенный между двумя графеновыми пластинками, которые действуют как электроды истока и стока. Сэндвич монтируется на окисленном слое примесного кремния, который действует как третий электрод, или затвор. Когда между электродами прилагается напряжение смещения, то вследствие квантового туннелирования через нитрид бора течет ток. Исследователи управляли током через транзистор, изменяя напряжение между тремя электродами.

Графен является одноатомным слоем атомов углерода, составляющих периодическую гексагональную решетку. Материал имеет уникальную зонную энергетическую структуру, которая очень отличается от традиционных полупроводников и металлов. Квазичастицы, несущие отрицательный заряд, движутся через плоскость листа так, как будто они имеют нулевую массу покоя, со скоростью 106 м/с. Зоны проводимости и валентная имеют форму конусов, которые встречаются в так называемой точке Дирака.

Регулируя напряжение смещения и напряжение на затворе созданных транзисторов, исследователи смогли выровнять энергии точек Дирака двух графеновых электродов, так что отрицательные заряды в структуре могли туннелироваться, сохраняя при этом энергию и момент. «Когда устройство настраиваться на эти резонансные условия, ток, текущий через устройство, достигает максимального значения, - объяснил Марк Фромхолд (Mark Fromhold). – И когда напряжение смещения увеличивается выше этой «настроенной» величины, эффект резонанса разрушается, и ток резко падает. Комбинация устройства с отрицательной дифференциальной проводимостью с другими компонентами для образования резонансной цепи может привести к колебаниям тока с очень высокой частотой, в терагерцевой области электромагнитного спектра. Устройства с частотами в этом диапазоне очень востребованы в медицине и в системах безопасности».

Необычная зависимость тока от напряжения смещения, отрицательная проводимость, может также быть использована для создания быстрых бистабильных цепей, в которых ток может принимать одинаковое значение для двух разных прикладываемых напряжений. Этот эффект может найти применение в будущих логических чипах, сделанных из графена и других кристаллических 2D-материалов.

Графен становится бистабильным