2. Прозрачные проводящие покрытия

Другая область, которая должна значительно выиграть от появления графена — это изготовление прозрачных проводящих покрытий. Графен необычайно оптически активен, и его монослой поглощает довольно большую долю падающего света, но это, тем не менее, гораздо меньше, чем типичные коэффициенты поглощения, достижимые у материалов, традиционно используемых для прозрачных и проводящих покрытий. В сочетании с низким электрическим сопротивлением, высокой химической стабильностью и механической прочностью такой коэффициент поглощения делает графен привлекательным материалом для оптоэлектронных устройств.

Прозрачные проводники являются существенной частью многих оптических устройств — от солнечных батарей до жидкокристаллических и сенсорных экранов. Для этих целей традиционно используют оксиды металлов или тонкие металлические плёнки. Однако при существующих технологиях, которые зачастую сложны (например, тонкие металлические плёнки требуют антиотражательных покрытий) и дороги (часто используются редкие или благородные металлы), всегда вёлся поиск новых типов тонких проводящих плёнок. Более того, многие широко используемые оксиды металлов демонстрируют неоднородное поглощение в видимой области спектра и химически неустойчивы: например, известно, что часто применяемый оксид индия и олова (ITO, In₂O₃:Sn) внедряет ионы кислорода и олова в активные среды устройства. У графена все эти недостатки отсутствуют. Кроме того, недавно было показано, что методом CVD могут быть выращены и помещены практически на любую поверхность слои графена огромной площади. Уже созданы первые устройства-прототипы (солнечные батареи и жидкокристаллические дисплеи), в которых графен использован как прозрачное проводящее покрытие.

3. Графеновые транзисторы

В конце 2008 года компания IBM объявила о разработке графенового полевого транзистора (GFET), работающего в гигагерцевом диапазоне. Тем самым был сделан важный шаг на пути выполнения программы создания углеродной электроники. Транзистор был изготовлен на основе наноленты графена шириной 20 нм с помощью метода механического отслаивания чешуек графита и размещения их на слое термического оксида кремния толщиной 300 нм, нанесенного на высокоомную кремниевую подложку (>10 кОм·см). Электродами стока и истока служили 10 нм/50 нм слои Pd/Au, которые наносились поверх слоя титана толщиной 1 нм, выполняющего роль адгезива. Изолятором затвора служила пленка оксида алюминия толщиной 12 нм, осажденная методом атомно-слоевой эпитаксии (Atomic Layer Deposition, ALD) при температуре 250°С. Электроды формировались с помощью электронно-лучевой литографии и взрывного травления. Электроды истока перекрывали всю графеновую чешуйку, чтобы минимизировать неопределенность при ее извлечении для измерения S-параметров транзистора. Расстояние между электродами истока и стока составляло 500 нм, верхний затвор полностью не перекрывал это расстояние. Ширина затвора (или ширина обоих каналов) составляла ~40 мкм.

В созданных компанией IBM графеновых полевых транзисторах заряд переносят электроны и дырки при положительных и отрицательных значениях напряжения соответственно. Минимальная проводимость соответствует точке Дирака, где вклад электронов и дырок в перенос заряда одинаков. Напряжение верхнего затвора транзистора слабо влияет на значение минимальной проводимости или ток, указывая на то, что металлизация электродов верхнего затвора не изменяет свойства графенового канала. Было установлено, что в полевых транзисторах с верхними затворами зависимость тока стока от напряжения ID(VD) почти линейная до напряжения 1,6 В. Отсутствие насыщения тока – следствие нулевой запрещенной зоны графена. Вероятно, насыщение тока в графеновых транзисторах возможно при более высоких значениях напряжения смещения. Но для достижения требуемой скорости насыщения при представляющих интерес значениях напряжения стока подвижность носителей очевидно должна быть более высокой.

Измерения высокочастотных характеристик графеновых транзисторов с верхними электродами и затворами различной длины показали отличную частотную зависимость усиления по току в режиме короткого замыкания, что указывает на подобие графенового транзистора традиционному полевому транзистору. Было получено, что с изменением напряжения затвора частота отсечки fT пропорциональна крутизне характеристики прямой передачи gm в соответствии с выражением fT = gm/(2πCG), где CG – общая емкость затвора. С уменьшением длины канала в соответствии с зависимостью fT ~ I/LG2 частота отсечки увеличивалась и при длине канала графенового полевого транзистора 150 нм составила 26 ГГц. По мнению разработчиков, при обеспечении в процесса изготовления высокой подвижности носителей графена (порядка 2000 см2/В·с) частота отсечки при длине затвора 50 нм может достичь уровня терагерц (1012 Гц).

В дальнейшем планируется выращивать графен на пластинах карбида кремния и уменьшить ширину канала графенового наноленточного транзистора до 2 нм.