Нанотехнологии и графеновые материалы – лейтмотив наноэлектронных устройств, которые разрабатываются сегодня на «острие мысли» ведущих лабораторий мира.

Графен – это материал дня (тешит душу, что к его открытию непосредственно причастен сотрудник ИПТМ РАН из Черноголовки, Новоселов). Графен (англ. graphene) — слой атомов углерода, соединённых посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью), представляет собой тонкий слой, гибкость которого сравнима с аналогичным слоем из углеродных нанотрубок, а прочность даже выше.

С точки зрения электронных свойств графен является полуметаллом. Однако, при ограничении размеров листа в каком-либо направлении получающаяся одномерная полоска может иметь свойства как полупроводника, так и металла. Это и является причиной большого интереса, проявляемого к графеновым полоскам как со стороны академического сообщества, так и со стороны таких крупных компаний, как IBM и Intel.

Графен попал под прицел многочисленных исследователей как возможный конкурент кремнию в следующем поколении КМОП транзисторов из-за уникально высокой подвижности носителей (и электронов, и дырок). Фактически он представляет собой монослой графита, в котором атомы углерода образуют двумерную решетку типа пчелиных сот.

Собственно графен имеет нулевую зону запрещенных энергий. Однако ученые научились управлять шириной зоны в графене приложением внешнего напряжения и создавать на его основе тестовые образцы транзисторов (как n-p-n, так и p-n-p, причем, с симметричными характеристиками).

Одна из проблем – в уменьшении шума. Низкочастотный 1/f шум является вездесущим и доминирует в соотношении сигнал/шум особенно в наноприборах. При уменьшении размеров транзисторов шум неизбежно становиться большим, и это существенно ограничивает полезность всех наномасштабных приборов.

Исследователи из IBM P.Avouris и M.-Yu Lin изучали шумовые характеристики наноприборов на основе однослойного и двуслойного графена и обнаружили неожиданный результат – значительное снижение 1/f шума в «двухслойке» в сравнение с «однослойкой». Оказалось, что взаимодействие между двумя слоями приводит к эффективному (десятикратному) гашению шума.

Исследователи IBM нашли, что двухслойный графен приводит к 10-ти кратному улучшению соотношения сигнал/шум

Несмотря на то, что исследователи IBM в конечном счете пытаются заставить графен работать в цифровом переключателе, зонная структура (нулевая запрещенная зона) графена открывает ему более ранюю перспективу в аналоговых и СВЧ применениях, а также в качестве электрических межсоединений в ИС.

В любом случае, технология графеновых приборов (собственно, как и приборов на углеродных нанотрубках) пока в состоянии зародыша. Требуются решения многих технологических проблем, среди них достижение однородности и управляемого роста на большой площади.

Некоторые исследовательские группы добились успехов, стартуя от подложки из карбида кремния и используя очень высокие температуры для удаления атомов кремния. На IBM используют способ «отслаивания» от графитовой ленты и перенесения полученного слоя на кремниевую подложку. Конечно, это – не промышленная технология, так можно изготовить только единичные образцы для исследований.

Автор – С.Т.К.