В МФТИ предложили способ создания супертранзисторов на графене в виде "сомбреро"

Учёные из России и Японии разработали новый тип транзистора на основе двухслойного графена и с помощью моделирования доказали, что он обладает рекордными параметрами в сравнении с любыми ныне существующими аналогами. В теории на их основе могут быть созданы процессоры на два порядка быстрее современных флагманских моделей. Соответствующая статья опубликована в журнале Scientific Reports. 

Краеугольным камнем работы транзистора является запрещённая зона. Так называют интервал энергий, которые электрону запрещено иметь в том или ином материале. В металлах этот диапазон равен нулю, в полупроводниках он колеблется от 0,1 до 4,0 электронвольт, в диэлектриках — выше 4,0 электронвольт. Если запрещённая зона в материале слишком широка, он для электроники не годится: электроны через него идут "неохотно". Но если зона равна нулю и электроны чрезвычайно быстро проходят через материал, то транзистор из него также не сделать. Дело в том, что транзисторы занимаются тем, что переключаются из проводящего состояния в изолирующее под действием электрического напряжения от управляющего электрода, и если они не смогут задерживать электроны в одном из состояний, то окажутся неработоспособны.

Проблема графена состоит в том, что в плане запрещённой зоны он является металлом, то есть её ширина для него равна нулю. Из металла полупроводник не сделать, а современной электронике устройства на базе графена совершенно необходимы, так как кремний уже давно упёрся в свои физические ограничения — дальнейший рост скорости транзисторов на нем лишён практического смысла. После пяти гигагерц процессоры на его базе греются слишком сильно, что и обуславливает фактическую стагнацию их возможностей в последние годы.

Группа российских учёных из МФТИ во главе с Дмитрием Свинцовым совместно с коллегами из Физико-технологического института РАН и Университета Тохоку (Япония) предложили свой вариант выхода из этой сложной ситуации — использование двухслойного графена. В отличие от графена обычного он состоит не из одного слоя атомов углерода, а из двух, прочно связанных между собой ван-дер-ваальсовыми силами.

Проведя тщательное моделирование работы туннельного транзистора на основе такого графенового "бутерброда", авторы работы выяснили, что разрешённые значения энергии электрона для него резко отличаются как от однослойного графена, так и от стандартных полупроводников. Кроме центрального пика значений энергий электронов, у двухслойной схемы есть ещё две области до и после этого пика, где плотность электронов стремится к бесконечности. Эта особенность называется сингулярностью ван Хова. Исследователи назвали получившийся результат "сомбреро" или "мексиканской шляпой". Загнутые "поля" сомбреро как раз и характеризуются сингулярностью ван Хова. 

"Поля" придают предложенному туннельному транзистору необычные свойства. Огромное число электронов, накапливающееся у краёв "сомбреро", при приложении даже небольшого напряжения на затвор транзистора, начинают туннелировать одновременно. Это приводит к резкому изменению тока при приложении к затвору очень малого напряжения. Таким образом, операция изменения состояния транзистора может совершаться при рекордно низком энергопотреблении.

Если изменение тока кремниевого транзистора в 10 раз требует приложения к затвору 60 милливольт, то в предлагаемом двухслойном графеновом транзисторе достаточно приложить 20 микровольт — то есть в тысячи раз меньше. Предельные возможности предложенной схемы ещё выше: при 150 милливольт на затворе такой транзистор сможет поменять силу тока в цепи в 35 000 раз. Чтобы оценить значение этих экстраординарных цифр, следует вспомнить, что энергопотребление транзистора является главным препятствием на пути повышения его тактовой частоты. Электронные компоненты описанного в статье типа в теории могут работать на частотах в 10 или даже 100 гигагерц. К тому же они, в силу высокой подвижности электронов в графене, не потребуют сложного и затратного легирования, неизбежного в кремниевых решениях.

Возникает вопрос о том, почему ранее следы сингулярностей ван Хова в графене не были замечены экспериментально. Авторы модели полагают, что это связано с низким качеством графена, до последнего времени типичного для исследовательских лабораторий. Лишь недавно были найдены способы его выращивания на стабильных подложках, решающие эту проблему и позволяющие использовать весь потенциал нового материала. Наличие острых сингулярностей ван Хова в графене экспериментально подтверждено методами сканирующей зондовой микроскопии и инфракрасной спектроскопии поглощения. Следующим шагом в развитии обозначенных в работе идей должно стать создание опытных образцов таких двухслойных графеновых транзисторов.