13. Устройства (электронные приборы, элементы схем) на основе графена; «углеродная» электроника

В результате открытия Новосёлова и Гейма исследователи получили в свое распоряжение семейство новых углеродных наноструктур с необычным комплексом свойств. Наряду со стремительным исследованием физико-химических свойств, стал проводиться активный поиск возможного прикладного использования этих уникальных нанообъектов. Как было показано в предыдущих разделах, сочетание физических и химических свойств Г поистине уникально. При толщине в один атом, этот материал один из самых прочных, прозрачен и является отличным проводником при комнатной температуре. Однако всё это относится только к 1сГ, свойства всех остальных модификаций мало изучены и не достигают тех значений, которые приводятся для подвешенного однослойного графена. Каковы возможные применения этого материала?

Углеродная электроника; общие положения

Таким образом, из изложенного выше видно, что графен является самым тонким материалом и при этом, наиболее прочным, он совершенно прозрачен [185] и является отличным проводником с высокой подвижностью носителей тока при комнатной температуре. Графен устойчив при нагревании до довольно высоких температур. Так, при нагреве в аргоне до 400 ^оС структура графена остаётся неизменной, в то время как физические характеристики плавно меняются в соответствии с известными законами [42].

Вследствие этого имеется множество идей изготовления прозрачных графеновых электродов для светодиодов и солнечных батарей, а также ряд других интересных областей применения.

Однако наиболее революционной является идея создания полностью углеродной высокоскоростной электроники, где все элементы (элементная база) будут изготовлены на основе графена и его производных: активные и пассивные элементы, интегральные схемы, теплоотводящие подложки, проводники, полупроводники различных типов, транзисторы, переключатели и т.п. Считается, что дешевые и гибкие полностью углеродные интегральные схемы на основе графена можно будет производить с помощью интенсивно разрабатываемой в настоящее время нанолитографии [186] и принтерной технологии. В то же время, на пути создания безкремниевой полностью углеродной электроники стоит ряд проблем. Необходимо научиться делать протяжённые бездефектные плёнки однослойного графена на гибких полимерных подложках. Имеющиеся экспериментальные результаты показывают, что сделать это не просто. Например, на сегодняшний день можно получить устойчивую дисперсию однослойного графена в ряде растворителей и использовать её в качестве чернил для печати наноэлектронных устройств. Однако проводимость и подвижность зарядов таких материалов будет на порядки ниже, чем у подвешенного однослойного графена. Несмотря на это, многие авторы выражают уверенность в возможности создания полностью углеродной наноэлектроники. Как шаг в этом направлении авторы [187] сообщают о разработанной ими технологии формирования электронных схем с использованием протяжённой графеновой плёнки, полученной методом spin-coating дисперсии графена в растворителях с последующей лазерной печатью без использования каких-либо масок. Для демонстрации возможностей этой технологии авторы создали работающий прототип гибкой ячейки памяти типа WORM (многократной записи и считывания); плотность записи 500 000 бит/см² и это не предел + высокое быстродействие.

Полевые транзисторы на основе графена

Хотя проблема получения значительных количеств 1сГ пока ещё не решена, но тем не менее исследования в области построения электронных устройств на основе такого материала уже ведутся. Процессоры на кремниевых транзисторах выполняют определенное количество операций в секунду, сопровождающееся выделением большого количества тепла. В Г электроны перемещаются практически без сопротивления, выделяя при этом очень мало тепла. Помимо этого, Г – хороший тепловой проводник, что позволяет быстро рассеивать избыточное тепло. Из-за этих и других факторов электроника на основе Г, может работать на гораздо более высоких частотах. Поэтому графен рассматривается как перспективный материал для наноэлектроники несмотря на то, что у него ширина запрещенной зоны E_g = 0 и поэтому он не может использоваться впрямую, например, для создания биполярных транзисторов с комнатной рабочей температурой; это ограничение, как будет показано ниже, не распространяется на полевые и одноэлектронные транзисторы.

На основе Г созданы первые лабораторные полевые транзисторы, которые, как предполагается, могут совершить прорыв в наноэлектронике [188]. Для изготовления транзистора несколько капель дисперсии, содержащей графеновые листы, наносили на кремниевую подложку, покрытую слоем SiO₂ толщиной 200 нм, а также тонкими золотыми полосками, отстоящими друг от друга на расстоянии около 1 мкм. В результате испарения растворителя отдельные чешуйки графена попадали в промежуток между электродами, что приводило к образованию двухконтактного либо трехконтактного полевого транзистора; в качестве запирающего электрода использовалась тыльная сторона кремниевой пластины. Сообщается о создании действующего транзистрора на основе бислойного графена с высокими параметрами [189]. Более того, в дальнейшем было показано, что графен может быть использован для решения проблем терагерцевой электроники; так, сконструированный в [177, 190] на основе графена прибор представлял собой высокоскоростной (120 – 200 fs) транзистор, работающий с частотой 700 - 1400 GHZ.

Показано, что можно использовать графеновые островки небольших размеров в качестве основы одноэлектронных транзисторов [191], что открывает возможности для создания электронных устройств с использованием «квантовых точек» на основе графена.

Пути решения других проблем, возникающих в такого рода С - электронике можно найти в работах [192,193]. Таким образом, изложенные выше теоретические и экспериментальные результаты с несомненностью демонстрируют, что не существует принципиальных препятствий для создания полностью углеродной электроники. Особенности строения и свойств графенового листа открывают перед конструкторами электронных устройств такие возможности, которые невозможно было решать с использованием традиционных материалов современной электроники [194].