Учёные из США и Китая создали первый функциональный полупроводник из графена

Исследователи из Технологического института Джорджии и Тяньцзиньского университета создали первый в мире функциональный полупроводник, изготовленный из графена — единого листа атомов углерода, удерживаемых вместе самыми прочными из известных связей. Полупроводники — материалы, проводящие электричество в определенных условиях, являются основными компонентами современных электронных устройств.

Прорыв команды открывает дверь к новому способу создания электроники. Эта технология может позволить создавать меньшие по размеру и более быстрые электронные устройства, а также найти применение в квантовых вычислениях.

Их открытие произошло в то время, когда кремний, материал, из которого сделана почти вся современная электроника, достигает своего физического предела в условиях появления все более быстрых вычислений и меньших по размеру электронных устройств.

Уолтер де Хир (на фотографии), профессор физики Технологического института Джорджии, возглавил группу исследователей из Атланты, штат Джорджия, и Тяньцзиня, Китай, для производства графенового полупроводника, совместимого с традиционными методами изготовления микроэлектроники, что является необходимым условием для любой жизнеспособной альтернативы кремнию.

В этом последнем исследовании, опубликованном 3 января 2024 года в журнале Nature под названием «Полупроводниковый эпитаксиальный графен сверхвысокой подвижности на карбиде кремния», де Хир и его команда преодолели важнейшее препятствие, которое десятилетиями преследовало исследования графена, а также причину, по которой многие считали, что графеновая электроника никогда не будет работать. Это важнейшее электронное свойство, известное как «ширина запрещенной зоны», позволяет полупроводникам включаться и выключаться. До сих пор у графена не было собственной запрещенной зоны.

Де Хир совершил прорыв, когда он и его команда придумали, как выращивать графен на пластинах карбида кремния с помощью специальных печей. Они создали эпитаксиальный графен, который представляет собой один слой атомов углерода, расположенный на кристаллической грани карбида кремния. Учёные обнаружили, что при правильном изготовлении эпитаксиальный графен химически связывался с карбидом кремния и начинал проявлять полупроводниковые свойства.

В течение следующего десятилетия они продолжали совершенствовать материал в Технологическом институте Джорджии, а затем в сотрудничестве с коллегами из Тяньцзиньского международного центра наночастиц и наносистем при Тяньцзиньском университете в Китае. Де Хир основал центр в 2014 году вместе с Лей Ма, директором центра и соавтором статьи.

В своей естественной форме графен не является ни полупроводником и не металлом, а полуметаллом. Запрещённая зона — это материал, который можно включать и выключать при приложении к нему электрического поля, именно так работают все транзисторы и кремниевая электроника. Главный вопрос в исследованиях графеновой электроники заключался в том, как его включать и выключать, чтобы он мог работать как кремний.

Исследователи поместили в графен атомы, которые «отдают» электроны системе — метод, называемый допингом, используемый для проверки того, является ли материал хорошим проводником. Это сработало, не повредив материал или его свойства. Измерения показали, что полученный полупроводниковый графен имеет в 10 раз большую подвижность, чем кремний. Другими словами, электроны движутся с очень низким сопротивлением, что в электронных приложениях приводит к более быстрым вычислениям.

Продукт команды на данный момент является единственным двумерным полупроводником, который обладает всеми необходимыми свойствами для использования в наноэлектронике, а его электрические свойства намного превосходят любые другие двумерные полупроводники, находящиеся в настоящее время в разработке.

Материал сохраняет особые свойства графена: это чрезвычайно прочный материал, который может выдерживать очень большие токи, не нагреваясь и не разрушаясь. Эпитаксиальный графен может вызвать смену парадигмы в области электроники и создать совершенно новые технологии, использующие его уникальные свойства. Кроме того, материал позволяет использовать квантово-механические волновые свойства электронов, что является требованием для квантовых вычислений.

Источник