Графеновый "сэндвич"- ключ к новой электронике

Литографически вырезанный "сэндвич" графена и нитрида бора дает выдающиеся электрические свойства

Исследователи Graphene Flagship решили одну из задач повышения эффективности графеновой наноэлектроники: вырезать из графена наноразмерные размеры без ухудшения его электрических свойств. Это позволило им достичь электрических токов на порядки выше, чем ранее достигалось для аналогичных конструкций. Работа показывает, что квантовые транспортные свойства, необходимые для будущей электроники, могут выдержать масштабирование до нанометрических размеров.

С самого начала ученые пытались использовать графен для производства наноразмерной электроники. Однако, поскольку толщина графена составляет всего один атом, все атомы подвергаются воздействию внешнего мира, и даже небольшие количества дефектов и примесей препятствуют его свойствам. Исследователи Graphene Flagship из DTU, Дания, решили эту проблему, защитив графен изолирующими слоями из гексагонального нитрида бора, другого двумерного материала с изолирующими свойствами.

Питер Бёггильд, исследователь из DTU, партнера Graphene Flagship, и соавтор статьи, объясняет, что, хотя «графен - фантастический материал, который может сыграть решающую роль в создании новой электроники наноразмеров, его электрические свойства по-прежнему чрезвычайно трудно контролировать». С 2010 года ученые из DTU пытались настроить электрические свойства графена, создавая очень тонкую структуру отверстий, чтобы образовались каналы, по которым может свободно течь электроэнергия. «Создание наноструктурированного графена оказалось невероятно трудным, поскольку даже небольшие ошибки стирают все свойства, которые мы разработали для него», - комментирует Бёггильд.

Теперь исследователи из DTU, партнера Graphene Flagship, сделали рывок вперед. Бьярке Джессен и Лене Гаммелгаард инкапсулировали графен другим двумерным материалом, гексагональным нитридом бора, который очень похож на графен, но обладает электрической изоляцией. Затем с помощью нанолитографии они осторожно просверлили наноскопические отверстия в графене через защитный слой нитрида бора. Отверстия имеют диаметр примерно 20 нанометров и отделены друг от друга всего на 12 нанометров. Эта высокая точность позволяет пропускать через графен электрический ток, который в 100-1000 раз превышает типичные значения для нанографена, вырезанного с помощью литографии.

«Когда вы создаете узоры в таком материале, как графен, вы делаете это для того, чтобы изменить его свойства. Однако на протяжении многих лет мы видели, что когда мы формируем графен в таком мелком масштабе, он больше не ведет себя как графен - здесь слишком много беспорядка », - поясняет Бёггильд. «Многие ученые отказались от нанолитографии в графене в таком масштабе, но теперь мы выяснили, как это можно сделать - можно сказать, что проклятие снято», - добавляет он.

«Мы показали, что можем управлять зонной структурой графена и что детерминированный дизайн наноэлектроники реалистичен. Если смотреть исключительно на электронику, то это означает, что мы можем делать изоляторы, транзисторы, проводники и, возможно, даже сверхпроводники, так как наша нанолитография способна сохранять тонкую межслойную физику, которая, как недавно было показано, приводит к сверхпроводимости в двухслойном графене.

Однако это ещё не предел. Когда мы контролируем структуру полосы, мы имеем доступ ко всем свойствам графена. Другими словами, мы могли бы сидеть перед компьютером и придумывать другие приложения, а затем пойти в лабораторию и воплотить их в жизнь", - говорит Беггильд.

"Существует множество практических проблем, но тот факт, что мы можем адаптировать электронные свойства графена, является большим шагом на пути к созданию новой электроники с чрезвычайно малыми размерами", - заключает он.

Даниэль Ноймайер (Daniel Neumaier), руководитель отдела интеграции графена в электронику и фотонику, говорит: "Управление электронными свойствами графена с помощью нанотехнологий предоставляет дополнительную степень свободы при проектировании электронных и фотонных устройств, которая до сих пор была недоступна. Исследователи из компании DTU, партнера Graphene Flagship, и их коллеги теперь открыли уникальный способ наномассировки графена, не видя ограничений, связанных с вводимыми дефектами узорчатости. Это стало ключевым шагом на пути использования нано-дисперсных электронных свойств графена в реальных устройствах, и мы ожидаем значительных достижений, особенно в области наноэлектроники и фотоники, на основе этих результатов".

Андреа К. Феррари, сотрудник по науке и технологиям Graphene Flagship и председатель группы управления, добавила, что «формирование графена для создания наноэлектронных устройств было одним из первых подходов к использованию этого уникального материала в устройствах. Однако после первоначального шквала публикаций нанесенный ущерб был настолько велик, что от этого направления исследований почти полностью отказались. Представленная здесь работа показывает, как долгосрочное стремление Graphene Flagship позволяет ученым искать и решать даже явно неразрешимые проблемы. Это возродит интерес к графеновой наноэлектронике и может привести к появлению множества полезных устройств, ранее имевших дефекты ».

###

Флагман Graphene - это исследования, инновации и сотрудничество. Проект Graphene Flagship, финансируемый Европейской комиссией, направлен на обеспечение важной роли Европы в продолжающейся технологической революции, помогая вывести инновации графена из лаборатории внедрить их в коммерческое применение к 2023 году. Graphene Flagship объединяет около 150 академических и промышленных партнеров из 23 стран, изучающих различные аспекты графена и связанных с ним материалов. Объединяя воедино различные профессиональные компетенции, Graphene Flagship способствует сотрудничеству между своими партнерами, ускоряя сроки принятия технологий графена промышленностью. European Commission's FET Flagships позволяют проводить исследовательские проекты беспрецедентного масштаба.

С бюджетами в 1 миллиард евро Graphene Flagship, Human Brain Project («Проект Человеческий Мозг») и Quantum Flagship служат ускорителями технологий, помогая Европе конкурировать с другими мировыми рынками в области исследований и инноваций.

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-02/gf-gk021919.php