Специалисты из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) в соавторстве с исследователями из научного центра IBM T.J. Watson Research Centre объяснили поведение электрических контактов в углеродных полупроводниковых нанотрубках.

Это может помочь в создании электроники нового поколения, использующей углерод вместо кремния.

Одностенные углеродные нанотрубки диаметром всего 1–2 нм активно исследуются, в частности IBM T. J. Watson Research Centre, c целью замены кремния в компьютерах нового поколения. Несмотря на исключительные электрические свойства нанотрубок, намного превосходящих транзисторы на основе кремния по своим характеристикам за счет низкого сопротивления каналов, их контактное сопротивление является наиболее существенным препятствием для внедрения в производство.

«Сопротивление транзистора состоит из сопротивления канала и контактного сопротивления. Сопротивление канала у углеродных нанотрубок при одной и той же длине канала лучше, чем у кремния. Но транзисторы из нанотрубок с длинным каналом для высокопроизводительных вычислений не нужны, а когда размер трубок уменьшается до нескольких десятков нм, то контактное сопротивление начинает доминировать», – поясняет руководитель исследования, профессор Сколтеха Василий Перебейнос.

Для производства транзисторов применяют полупроводниковые трубки. Но для контактов используют металл. За счет поверхностного натяжения он оказывает на трубки определенное давление. Предыдущие работы ученых показали, что это давление достаточно большое, чтобы сплюснуть трубки.

«В нашей новой работе мы совершенно неожиданно предсказали, что полупроводниковые трубки становятся металлическими из-за деформации под металлическим контактом. При этом контактное сопротивление увеличивается, а не уменьшается. Это связано с нарушением аксиальной симметрии деформированных трубок», – рассказывает Василий Перебейнос.

Благодаря работе ученых стало понятно, какие шаги нужно предпринять, чтобы снизить контактное сопротивление. Исследователи считают, что для производства транзисторов следует использовать трубки меньшего диаметра. Если взять аналогии из макромира и представить вместо нанотрубки обычную трубу, а воздействие металла сравнить с ударом молотка, то становится понятно, чем поможет уменьшение диаметра. При одной и той же толщине трубу большего диаметра молотком сплющить проще, чем трубу меньшего. Также можно попробовать использовать металлы с меньшим поверхностным натяжением, «удар молотка» в таком случае будет слабее и нанотрубка не сплющится.

Кремниевые микропроцессоры входят в состав практически всех окружающих нас устройств — от телефона до самолета. Все современные электроприборы стали возможны благодаря уменьшению размеров транзисторов. Но возможности кремния практически достигли своего предела. Заставить кремниевые транзисторы переключаться быстрее за счет уменьшения длины канала кремния уже не получится. Поэтому необходимо искать новые возможности увеличения производительности электронных устройств. После открытия углеродных нанотрубок более 20 лет назад (свернутого в трубку слоя графена толщиной в один атом) ученые продолжают изучать их свойства с целью применения в микроэлектронике как наиболее перспективный материал для замены кремния.

Работа ученых опубликована в журнале Physical Review Letters.